電磁波アニメーションツール「EMANIM」の紹介 〜電磁波の直線偏光・円偏光・屈折のイメージを動画で掴む〜

EMANIM

2019/09/11追記:
ウェブアプリ版に移植されてさらに使いやすくなりました!日本語化もされています!

偏光の重ねあわせをイメージする

電磁波について学ぶと、必ず出てくるのが偏光(直線偏光・円偏光)という概念。これらの電場(or 磁場)の動きがどのようなものであるかを直感的に理解することは、電磁気学の大切な基礎です。
偏光 – Wikipedia

直線偏光にしろ円偏光にしろ、単一の偏光波をイメージするのは簡単です。一方向にだけ振動したり、ぐるぐる回る電場をイメージすれば良いので。一方、現実世界にあふれる光たちの大半は単一偏光波では無い訳で、それらの重ね合わせを考える必要があります。ところが、複数の偏光波の重ねあわせた結果をイメージする、という作業は意外なほど難しいのです。例えば、以下の問に一瞬で答えられますか?

(1) 左巻き円偏光と、それと位相が90度ずれただけの右巻き円偏光の重ね合わせはどのような波?
(2) 左巻き円偏光と、それの振幅が2倍になっただけの右巻き円偏光の重ね合わせはどのような波?
(3) 左巻き円偏光と、それの周波数が2倍になっただけの右巻き円偏光の重ね合わせはどのような波?

いずれも「振幅」「周波数(波長)」「位相」という3つの基礎パラメータのうち、一つを変えただけの単純な重ねあわせパターンですが、少なくとも私には全くイメージできません(笑)。まして複数パラメータが変化した場合は手に負えません。電磁気学を教える側の先生方も、生徒にイメージを掴ませるために苦労されているようです。

電磁波アニメーションツール「EMANIM」

そこで今日は、こういった電磁波の動きをイメージするために大変役立つ教育補助ソフト「EMANIM」を紹介します。emanim.szialab.org
EMANIMは、異なるパラメータ(振幅・周波数・位相)を持つ2つの偏光波(直線 or 円偏光)の重ねあわせ結果をアニメーションで表示してくれるソフトです(表示するのは電場のみ)。痒いところに手が届く非常に有能なツールなのですが、言及している日本語webページが他に見当らなかったので、本記事で紹介します。

EMANIMの使い方

ぶっちゃけ説明するほどの「使い方」は無いです。シンプルなソフトなので。このページを読むよりも、とりあえずhttp://emanim.szialab.org/にあるemanim12setup.exeをインストールして触ってみるのがおすすめです。pythonソースコードも配布されているので、LinuxMacの方はそれを使ってビルドすればokです(Wineでも動きました)。

とりあえず起動すると、Wave1(赤)という偏光波が表示されています。Wave2(緑)と、「Wave1 + Wave2」(水色)のチェックボックスをONにすることで、2つの偏光波の重ねあわせが水色の波として出力されます。
f:id:Cyclodextrin:20171007130824p:plain
偏光の種類は「Polarization」から変更可能。直線・円偏光のどちらも使用できます。Wave1とWave2の各パラメータを変更して、重ねあわせ結果がどのように変わるのかを見る、というのが基本的な使い方です。ビュー画面で右クリック+ドラッグすると、視点をぐりぐりと回転できます。

先ほどの答え合わせをしておきましょう。
(1) 左巻き円偏光と、それと位相が90度ずれただけの右巻き円偏光の重ね合わせはどのような波?
f:id:Cyclodextrin:20171007131101p:plain

(2) 左巻き円偏光と、それの振幅が2倍になっただけの右巻き円偏光の重ね合わせはどのような波?
f:id:Cyclodextrin:20171007132307p:plain

(3) 左巻き円偏光と、それの周波数が2倍になっただけの右巻き円偏光の重ね合わせはどのような波?
f:id:Cyclodextrin:20171007132416p:plain
前から見た図
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光と物体の相互作用を調べる

EMANIMのもうひとつの優れた機能が、「電磁波と相互作用する物体を通過する時に、どのように波が変化するか」を可視化できるというもの。要するに、波長板/位相子といった光学材料が光に与える影響を見られるわけです。物体のパラメータは、透過係数(extinction coefficient)と屈折率(refraction index)が、wave1とwave2独立に設定可能

例えば、2つの直線偏光のうち一つの位相のみを1/4波長だけシフトさせる「1/4波長板」の挙動を再現すると以下のようになります。直線偏光が円偏光へと変化する様子が見て取れますね。
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なかなか面白いソフトだと思いませんか?ぜひ教育の場などで活用されて欲しいと思います。

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About the Author: korintje

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