¿Sabemos cómo se ve una onda de radio?

En la clase de precálculo estamos aprendiendo sobre sin / cos / tan / cot / sec / csc y ​​su amplitud, períodos y cambios de fase. He estudiado electrónica por intervalos durante aproximadamente un año. Me gustaría saber si realmente sabemos cómo son las olas. ¿se parecen realmente al seno y al coseno como en los libros de texto de matemáticas? ¿O esas funciones de onda son solo representaciones de algo que no podemos ver? Solo pueden analizar sus efectos. Y por lo tanto, algo que no sabemos cómo se ven.

Por favor explique

Gracias

Olvida las cosas cuánticas por un momento. Si quieres aprender sobre electrodinámica cuántica, lee QED de Richard Feynman. (Debería leerlo de todos modos; puede ser el único libro de física pop realmente bueno).

Clásicamente, un campo electromagnético es un campo de fuerza que actúa sobre una carga eléctrica. No "parece" algo más que un empuje o un tirón mecánico. Una de las cosas sobre las que las fuerzas EM pueden actuar son las moléculas. Pueden cambiar la forma de las moléculas o (a altas frecuencias) incluso romper enlaces químicos. Así es como ves: la luz estimula una reacción química en las células de tu retina, lo que desencadena una cadena de reacciones químicas que culminan en la actividad cerebral.

Cuando decimos que una onda de radio se puede describir como una onda sinusoidal, estamos hablando de cómo la amplitud de la onda (es decir, la fuerza de la fuerza) varía en el espacio y el tiempo. Las ondas sinusoidales tienden a aparecer mucho por las razones que Dave mencionó: son soluciones simples para las ecuaciones diferenciales de segundo orden, y puede usar el análisis de Fourier para describir otras señales en términos de sinusoides. Las ondas sinusoidales también se usan para hablar sobre el sonido, por la misma razón.

La mayoría de las ondas de radio no serán sinusoides puras, pero muchas se basan en sinusoides. Por ejemplo, las amplitudes de las ondas de radio AM son sinusoides cuya amplitud varía lentamente. Las amplitudes de las ondas de radio FM son sinusoides cuyas frecuencias varían lentamente. Aquí hay una ilustración, cortesía de Berserkerus en Wikimedia Commons :

Observe que la señal de ejemplo en esta imagen también es una onda sinusoidal. Eso no es un accidente. Las ondas sinusoidales funcionan bien como simples señales de prueba. La radiación de las líneas eléctricas también estaría muy cerca de una onda sinusoidal pura.

Si desea visualizar una onda de radio, imagine estar bajo el agua cerca de una playa. Las corrientes no son visibles, pero aún puedes sentir ondas de agua en movimiento mientras te empujan hacia adelante y hacia atrás. Eso es lo que las ondas de radio le hacen a los electrones en una antena.

Una onda de radio no es como una cuerda invisible con una forma sinusoidal que se mueve a la velocidad de la luz.

Una onda de radio está hecha de un campo eléctrico y un campo magnético. Piense en eso como una propiedad del espacio. Por ejemplo, la propiedad "color" de un plátano es "amarillo". La propiedad "campo eléctrico" de ese espacio infinitesimal aquí es de 10 V / m. Pero allá son 20 v / m.

Una onda de radio de frecuencia fija pura es la modificación sinusoidal de las propiedades "campo eléctrico" y "campo magnético" del espacio a lo largo de la onda. En el tiempo y en el espacio.

Si toma una instantánea de la situación en el tiempo t = 1 segundo, por ejemplo, e imagina que tiene un instrumento mágico que puede medir esas "propiedades" en relación con la distancia al transmisor.

Ahora, si traza el valor medido del campo eléctrico en un diagrama xy donde x es la distancia al transmisor ey el valor que lee en su instrumento, verá un seno, como el que ve en los libros de texto. Simplemente significa que aquí E = 0 pero 10 m allá son 10 V / m, a 20 m es 0 nuevamente y a 30 m es -10 V / m ... por ejemplo.

Esto se simplifica deliberadamente, pero pensé que el objetivo aquí era dar algunas pistas que permitan construir una intuición sobre el tema.

Si de alguna manera pudieras visualizar los campos eléctricos y magnéticos a tu alrededor en un momento dado, serían muy aleatorios, algo así como la superficie del océano, porque lo que verías sería la superposición de ondas generadas a partir de muchas fuentes diferentes.

Tendemos a usar sinusoides para analizar ondas, ya que tienen algunas propiedades matemáticas importantes. En primer lugar, Fourier nos mostró que cualquier función (y especialmente funciones periódicas) puede expresarse como una suma de ondas sinusoidales. En segundo lugar, usamos ecuaciones diferenciales (cálculo) para describir las propiedades fundamentales de los campos, y la integral o derivada de una sinusoide es otra sinusoide, lo cual es muy conveniente.

Aquí hay una visualización razonable de las ondas de radio que se propagan desde una fuente puntual

( fuente )

Tenga en cuenta que está simplificado.

Las ondas reales no desaparecen cuando van a cierta distancia, pero su amplitud disminuye con la distancia.

Además, esta visualización hace que parezca que cada ola es una capa delgada, pero debes imaginar que esa superficie representa un pico, y el punto a medio camino entre dos "capas" es un valle.

Siempre me ha gustado mucho esta cita de Feynman (Lectures in Physics, vol 2), que expresa cuán extrañas y misteriosas son las ondas EM:

Pero Max Born tiene otra cosa que decir sobre el campo EM, que no responde a su pregunta, creo:

Esto es de p. 156 de este libro genial. https://ia600409.us.archive.org/4/items/einsteinstheoryo00born/einsteinstheoryo00born.pdf )

Y en la página siguiente, Born dibuja la onda EM que se origina en un dipolo:

Aquí hay una respuesta muy poco técnica, y probablemente físicamente no exacta, pero que podría ayudar a alguien que no es tan profundo en el tema a entenderlo mejor (también conocido como: explique como si tuviera cinco años)

He visto esta divertida foto hace un tiempo, acerca de cómo el WIFI se extiende por una casa:

También está disponible como gif, pero de alguna manera no puedo insertarlo aquí: Wifi se extiende a través de las salas de animación

Wifi son pequeñas ondas de radio (microondas). Al igual que Soundwaves, esas olas que no deberías imaginar como olas oceánicas que suben y bajan, sino más bien como parches de aire realmente denso, y luego muy fino, más parecido a una onda de impulso, en lugar de una ola oceánica. Por supuesto, en caso de radiación / ondas electromagnéticas, no es el aire el que se vuelve denso, sino que el campo electromagnético es "denso" o "menos denso".

Entonces, la función sinusal simplemente traza qué tan denso es el medio. Y ese medio es en el caso de ondas de sonido de aire, en el caso de ondas de radio, el campo electromagnético. Aunque esta última declaración puede no ser 100% precisa físicamente.

Entonces, al final del día, la función sinusal simplemente traza qué tan fuerte es el campo, o más bien qué tipo de carga tiene. Midiendo un punto en la habitación, trazaremos la carga con el tiempo: trazaremos la carga positiva y trazaremos la línea hacia abajo para una carga negativa.

Entonces, para responder a su pregunta: las funciones sin / cos, etc. son un análisis de esas ondas de radio desde una perspectiva (por ejemplo, un punto en la habitación, y graficamos la carga en el eje y, y el tiempo en el eje x). Pero no es que haya rayos de ondas sinusales que viajan a través de la habitación, porque la habitación es tridimensional, y la onda real se describe mejor como áreas "densas" y áreas menos densas, que pulsan.

El espacio a través del cual viajan las olas no es una superficie bidimensional, que puede crear olas como lo hace un océano, pero es tridimensional. Entonces, en lugar de una superficie oceánica, es más como varias explosiones que ocurren desde un punto, rítmicamente. Al igual que en la animación de esta respuesta , viajan a través del espacio como una esfera, y dentro de esa esfera hay otra esfera que se expande a la misma velocidad, y así sucesivamente.

Abra la animación, luego coloque el cursor en un punto de esta sala. ¿Cuál sería la mejor manera de describir los cambios de color en el lugar donde está el cursor? Una función de pecado, ¿verdad?

¡Espero que ayude!

Sí, sabemos cómo se ven. Son invisibles.

Las ondas de radio son perturbaciones autopropagantes en el campo E y B. Como no podemos ver los campos E y B, las ondas de radio son invisibles.

Si desea doblar un poco el término "radio", puede decir que una longitud de onda estrecha de aproximadamente una octava, aproximadamente 350 - 700 nm, es visible para el ojo humano, ya que esa es la longitud de onda de la luz visible. La luz y las ondas de radio son lo mismo, excepto por su longitud de onda. Usualmente usamos el término "ondas de radio" para referirnos a longitudes de onda mucho más largas que la luz visible.

Si se pregunta cuál es la "forma" de las perturbaciones de los campos E y B, la respuesta es que son sinusoides. Eso no significa una buena línea sinusoidal que sube y baja como se encuentra en una ilustración de libro de texto. Pero, la magnitud de los campos E y B sigue una forma senoidal a lo largo de la distancia y el tiempo.

Las ondas de radio son invisibles, aunque nuestra comprensión de ellas es muy avanzada, y no debe considerarlas místicas. Tenga en cuenta que los fotones, dependiendo de su nivel de energía, pueden ser detectados por el ojo, pero eso no es lo mismo que decir que podemos verlos. Los fotones son las partículas que transmiten información visual a nuestros ojos. Para ver un objeto, una gran cantidad de fotones deben viajar desde él hasta el ojo del observador y enfocarse en la retina. Según esa definición, los fotones también son invisibles, aunque el ojo los detecte. Solo menciono los fotones porque sé que alguien lo mencionará si no lo hago.

Hay varias formas de visualizar las ondas de RF, cómo se absorben o reflejan, y cómo interfieren entre sí, etc. Estos pueden ser de gran ayuda para comprenderlos, pero esto no cambia el hecho de que las olas mismas son invisibles.

Estás entrando en los reinos de la mecánica cuántica aquí ...

¿Qué es una ola? ¿Qué es una partícula? ¿Cuál es la diferencia? ¿Son lo mismo?

Sin embargo, para simplificarlo un poco y ponerlo en el contexto de la electrónica, es mejor pensar en un voltaje de CA en un cable.

El alambre está hecho de átomos. Los átomos tienen electrones. El voltaje mueve los electrones para formar la corriente.

Cuando el voltaje es positivo, se mueven hacia un lado, y cuando es negativo, se mueven hacia el otro. La "onda" es el movimiento de los electrones. Para simplificarlo aún más, imagine que solo hay un electrón. Pones un voltaje de CA sinusoidal, y ese solo electrón se movería hacia adelante y hacia atrás en un patrón sinusoidal. Entonces, la "ola" en este caso es la posición de ese electrón mapeada contra el tiempo.

Ahora, cuando llegamos a las ondas de radio, tenemos un juego de pelota completamente diferente. Nos interesa mucho más la mecánica cuántica, los campos, etc.

En pocas palabras, no, no puedes "ver" una ola. La ola es, si lo desea, una firma energética. Tome la luz, por ejemplo. ¿Es una ola, o es una partícula? Bueno, puede considerarse como ambos. Como fotón, es un objeto físico que interactúa con la retina de tu ojo para hacerte ver cosas. Como ola, puede doblarse e incluso dividirse (vea el Experimento de doble rendija ) en otras dos olas y volver a combinarse.

Desde la perspectiva de la partícula, se puede pensar en la frecuencia como qué tan rápido vibra esa partícula.

Otro buen aspecto es el sonido. Eso son olas, pero de un tipo diferente. Más parecido a la corriente eléctrica de CA: los átomos del aire que se mueven hacia adelante y hacia atrás en el tiempo a una excitación (altavoz), que puede "ver" con un micrófono. Y se puede ver que todos están formados por ondas sinusoidales en diferentes combinaciones.

Entonces, para responder a su pregunta: pregúntele a Steven Hawking :) y luego diríjase a los foros de física.

Aquí hay muchas buenas respuestas, solo algunos comentarios más:

Las ondas de radio se rigen por las ecuaciones de Maxwell que describen los campos eléctricos y magnéticos en cada punto en el espacio y el tiempo. El espectro de ondas de radio no se superpone con el de nuestros sentidos (a diferencia, por ejemplo, de la luz visible o infrarroja), por lo que no podemos ver las ondas y solo observarlas mediante algún tipo de medición. (Incluso con luz visible, no observamos directamente las ondas, sino por su efecto en nuestros 'sensores').

Los campos eléctricos y magnéticos son vectores que varían en el tiempo en cada punto del espacio, por lo que incluso si pudiéramos verlos, serían bestias complicadas. Podemos medir aspectos de los campos usando antenas, sondas de campo, etc.

Los campos reales representan los impactos combinados de todas las fuentes ('ruido', otras señales conocidas, señales que nos interesan, etc.) y no son puras $\sin$/ /$\cos$olas. Las leyes de conservación significan que los campos son de naturaleza repetitiva y en muchos casos pueden tratarse como periódicos. Señales que involucran$\sin$/ /$\cos$ a menudo son soluciones de las ecuaciones diferenciales subyacentes, y se usan como "bloques de construcción" para encontrar soluciones a escenarios más complicados.

Las funciones sin / cos etc. de las que está aprendiendo son bidimensionales. Las ondas de radio son tridimensionales, por lo que las ondas sinusoidales no transmiten gran parte de la realidad física. Las matemáticas pueden describir las ondas tridimensionales, pero se necesitan cálculos vectoriales (ecuaciones de Maxwell), que son mucho más avanzadas que su conocimiento matemático actual.

Sigue usando la frase "parece" sobre algo que es invisible para los sentidos humanos.

Entonces pregunta: ¿cuánta instrumentación puedo usar para mostrarte estas ondas?

Porque su naturaleza realmente es la de viajar regiones de excitaciones de campos eléctricos y magnéticos y en la región de campo lejano, en el espacio libre ...

• realmente son ondas transversales (es decir, ambos campos apuntan perpendicularmente a la dirección de propagación),
• Realmente tienen los componentes eléctricos y magnéticos en fase y perpendiculares entre sí.
• son efectivamente ondas planas, lo que significa que la representación lineal habitual que se parece a $E(x,t) = \sin(kx - \omega t)$ debiera ser $E(\vec{x},t) = \sin (\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t)$.

Las imágenes son representativas de la realidad, pero no puedes verlas sin herramientas.

Saludos para Olli por la mejor respuesta. Por supuesto, es posible imaginar "cómo se ven las ondas de radio", o mejor dicho, cuál es la forma de las perturbaciones de campo eléctrico (y / o magnético) que se propagan en el espacio, a pesar de que no podemos verlas directamente. Pero necesitas tener un poco de conocimiento sobre ellos y una imaginación realmente rica.

Olvídate del cuanto y olvídate de los fotones. Este no es un nivel de física que la mayoría puede "imaginar" de manera perceptiva. Todos los que mencionan sobre los fotones simplemente no entienden tu pregunta o no saben la respuesta y escapan de ella cruzando la frontera de algo que está más allá del alcance de la gente de hoy. Esto es como hablaríamos sobre la forma exacta del átomo. ¿Cuál es la forma de un solo átomo? ¿Y cuál es la forma de un solo protón? La gente no tiene idea de qué es y lo más probable es que no sea una pequeña bola redonda como en las fotos de la escuela. Se puede decir que mientras no sepamos la forma exacta del átomo no entenderemos la correlación entre la onda electromagnética clásica y las partículas elementales, es decir, los fotones, con los que se ocupa la física cuántica.

Así que ceñámonos a la física clásica y su comprensión de un fenómeno que se llama radiación electromagnética. Esto es seguro "abrazable", ocurre en nuestra escala (las ondas de radio comunes tienen longitudes de 1 cm y más) y ha sido medible con precisión durante décadas.

Sin embargo, para sorprender, imaginar ondas electromagnéticas es una muy buena idea "descifrar" primero e imaginar la propagación de ondas acústicas. Son bastante más fáciles de entender. Imagine una sola onda de sonido (un solo pulso) como una burbuja esférica redonda de aire altamente comprimido en el ambiente de aire natural (normal) y también con el aire 'normal' en el centro. Solo una "capa" del aire comprimido dispuesta en la burbuja esférica. Esta capa no comienza tan bruscamente y no termina bruscamente. La transición entre los valores de presión de aire es suave (como para una ola :). La capa tiene aproximadamente 34 cm de grosor (para una onda de 1 kHz) pero, como dije, se enfrenta al entorno suavemente y termina (en el lado interno) también suavemente. Su diámetro es digamos 1 metro. Y ahora esta burbuja se está expandiendo en el espacio en todas las direcciones. Eso' s cada vez más grande, pero el grosor de la capa no cambia, es de 34 cm constantemente. Solo su diámetro está creciendo en todas las direcciones. Su amplitud (la diferencia de presión de aire) se debilita gradualmente y finalmente deja de existir, desaparece. Pero esto era solo una sola 'capa', un solo pulso de una onda acústica. Ahora imagine que la misma burbuja crece, pero después de eso (exactamente 34 cm más profundo que esta) aparece otra y la sigue creciendo esféricamente, y otra, y otra para que tengamos toda la salva de ellas yendo una tras otra, moviéndose La presión de aire en serie perturba el espacio en todas las direcciones.

Ahora vamos a las ondas de radio. Su forma y propagación tienen en realidad la misma naturaleza. Son las burbujas esféricas (capas curvas) que se extienden en el espacio desde su fuente, una tras otra. La diferencia más importante con respecto a las ondas sonoras radica en qué son realmente las ondas de radio (qué fenómeno transportan). Como dijimos, las ondas de sonido llevan incrementos en serie de la presión del aire. Su amplitud es la diferencia entre los valores de presión de aire en los picos y en los canales. Eso es. La onda electromagnética lleva incrementos de campo eléctrico. Una "capa" (o pulso) posee una fuerza magnificada de campo eléctrico. Entre estos pulsos, el valor del campo eléctrico es igual a cero. Entonces, mientras viajan por el espacio, el campo eléctrico solo alterna entre el valor máximo y cero. Máx. - cero - máx. - cero - máx. - cero - y así sucesivamente.

Además, vale la pena agregar que el campo eléctrico es una cantidad vectorial. Significa que tiene su dirección. La dirección del campo eléctrico en este caso siempre es perpendicular a la dirección de propagación (desplazamiento) de las ondas. Entonces, imaginando un solo pulso de onda de radio como nuestra burbuja esférica del campo eléctrico, una acción de este campo en realidad se dirige a lo largo de la superficie de nuestra burbuja. En otras palabras, las líneas del campo eléctrico son curvas, paralelas a la superficie curva de la burbuja y perpendiculares a su radio. Consideremos solo una onda de radio hipotética que viaja horizontalmente. Podemos suponer ahora que la dirección del campo eléctrico es vertical. Y ahora viene la cosa: la dirección del campo eléctrico alterna entre pulsos. Para nuestra onda horizontal: el campo en el primer período sube verticalmente y en el siguiente baja. Entonces, en una burbuja se dirige hacia arriba, en la siguiente se dirige hacia abajo. Aún así, los lugares entre las burbujas tienen un valor de campo cero y cada burbuja tiene un campo dirigido opuesto al campo de la burbuja adyacente. Podemos resumirlo como: max - cero - min - cero - max - cero - min - cero. Una amplitud de la onda es la diferencia entre la intensidad máxima y mínima (o, como podemos decir, negativa) del campo eléctrico. Recordando todos los valores intermedios ahora sabemos por qué lo dibujan como una onda sinusoidal con el eje horizontal colocado en el centro (donde la intensidad del campo es igual a cero). No importa que la dirección del campo sea hacia arriba o hacia abajo, todavía es perpendicular al recorrido de la onda, ¿no? t it? Y así es como se configura exactamente el campo eléctrico en el espacio entre pulsos subsecuentes de ondas (o entre burbujas espaciales que crecen una tras otra).

Pero hay otro componente que parece complicar las cosas: el campo magnético. En realidad, esto no es tan difícil de resolver. La actividad del campo magnético cubre las mismas regiones que el campo eléctrico. Están correlacionados en fase. En puntos, o esferas espaciales en realidad, donde el campo eléctrico es cero, el campo magnético también es cero. En las esferas donde la intensidad del campo eléctrico tiene sus picos, la intensidad del campo magnético también tiene picos. En las esferas donde el campo eléctrico tiene sus canales, el campo magnético tiene canales. Como supones que el campo magnético también es una cantidad vectorial porque sus líneas de acción tienen dirección. La diferencia básica es que la dirección del campo magnético es perpendicular tanto al desplazamiento de la onda como a la dirección del campo eléctrico. Como imaginamos nuestra hipotética onda de radio horizontal con los picos eléctricos verticalmente hacia arriba y los canales eléctricos verticalmente hacia abajo en la dirección de las líneas del campo magnético se ubicaría a lo largo de la línea de nuestra vista. Los picos magnéticos se dirigen hacia nosotros y el canal magnético se dirige hacia nosotros. Si consideramos un área más amplia, las líneas del campo magnético también deben ir a lo largo de una curva, a lo largo de una superficie de esfera.

No sé cuánto se puede entender de lo que dije :) Sin embargo, la idea principal es que estas son burbujas de campo magnético y magnético que también alternan su dirección cada segunda burbuja y estas burbujas crecen muy rápidamente. A medida que viajan por el espacio al aumentar la fuerza del campo eléctrico y magnético se debilita (la amplitud disminuye), pierden su energía y después de cubrir cierta distancia, finalmente desaparecen (lo mismo que las ondas acústicas).

En realidad, la forma y el diseño de todas estas ondas (tanto acústicas como electromagnéticas) es mucho más complicada debido a cosas como la reflexión, la interferencia, la difracción y la refracción. Las burbujas se reflejan en varios objetos como el suelo, edificios, árboles, automóviles, paredes, muebles, etc. La burbuja reflejada golpea a la directa y afecta la forma y el desplazamiento exacto de cada uno, por lo que la topología resultante de las ondas suele ser muy compleja e impredecible desde el punto de vista perceptivo.

Para completar las diferencias físicas básicas con las ondas de sonido que obviamente sabemos es: - no necesitan ningún medio, se propagan por sí mismas y pueden viajar a través del vacío y muchos materiales diferentes; - su longitud de onda puede variar mucho, pero para Wi-Fi es de aproximadamente 9-15 cm, por lo que estamos bastante cerca de la longitud de onda de sonido que discutimos; - su frecuencia es extremadamente alta (por ejemplo, 100 MHz para radio FM o 2.4 GHz para Wi-Fi); - su velocidad de viaje también es extremadamente más rápida (velocidad de la luz);

La forma de las ondas es esférica, no se parece a lo que ves en los libros de texto. Lo que ves en los libros de texto son solo una porción de toda la ola. Eso es todo lo que necesita porque los otros sectores tienen la misma información que el sector con el que está trabajando.