Sappiamo che aspetto ha un'onda radio?

In classe precalculus stiamo imparando su sin / cos / tan / cot / sec / csc e sui loro cambiamenti di ampiezza, periodi e fasi. Ho studiato elettronica per circa un anno. Vorrei sapere se effettivamente sappiamo che aspetto hanno le onde? sembrano davvero dei seni e dei coseni come nei libri di testo di matematica? O quelle funzioni d'onda sono solo rappresentazioni di qualcosa che non possiamo vedere possono solo analizzare i loro effetti. E quindi qualcosa che non sappiamo come siano.

Spiega per favore

Grazie

Dimentica la roba quantistica per un momento. Se vuoi conoscere l'elettrodinamica quantistica, leggi la QED di Richard Feynman. (Dovresti leggerlo comunque; potrebbe essere l'unico vero libro di fisica pop.)

Classicamente, un campo elettromagnetico è un campo di forza che agisce sulla carica elettrica. Non "sembra" qualcosa di più di quanto non faccia una spinta o una trazione meccanica. Una delle cose su cui le forze EM possono agire sono le molecole. Possono cambiare la forma delle molecole o (ad alte frequenze) persino rompere i legami chimici. Ecco come vedi: la luce stimola una reazione chimica nelle cellule della retina, che dà il via a una catena di reazioni chimiche che culminano nell'attività cerebrale.

Quando diciamo che un'onda radio può essere descritta come un'onda sinusoidale, stiamo parlando di come l'ampiezza dell'onda (cioè la forza della forza) varia nello spazio e nel tempo. Le onde sinusoidali tendono ad apparire molto per le ragioni menzionate da Dave: sono semplici soluzioni alle equazioni differenziali di secondo ordine e puoi usare l'analisi di Fourier per descrivere altri segnali in termini di sinusoidi. Le onde sinusoidali sono usate anche per parlare del suono, per lo stesso motivo.

La maggior parte delle onde radio non saranno puri sinusoidi, ma molti sono basati su sinusoidi. Ad esempio, le ampiezze delle onde radio AM sono sinusoidi la cui ampiezza varia lentamente. Le ampiezze delle onde radio FM sono sinusoidi le cui frequenze variano lentamente. Ecco un'illustrazione, per gentile concessione di Berserkerus su Wikimedia Commons :

Si noti che il segnale di esempio in questa immagine è anche un'onda sinusoidale. Non è un incidente. Le onde sinusoidali funzionano bene come semplici segnali di prova. La radiazione proveniente dalle linee elettriche sarebbe anche abbastanza vicina a un'onda sinusoidale pura.

Se vuoi visualizzare un'onda radio, immagina di essere sott'acqua vicino a una spiaggia. Le correnti non sono visibili, ma puoi ancora sentire ondate d'acqua in movimento mentre ti spingono avanti e indietro. Ecco cosa fanno le onde radio agli elettroni in un'antenna.

Un'onda radio non è come una corda invisibile con una forma sinusoidale che si muove alla velocità della luce.

Un'onda radio è composta da un campo elettrico e un campo magnetico. Pensa a ciò come a una proprietà dello spazio. Ad esempio, la proprietà "color" di una banana è "yellow". Il "campo elettrico" di proprietà di questo spazio infinitesimale proprio qui è di 10 V / m. Ma laggiù sono 20 v / m.

Un'onda radio a frequenza fissa pura è la modifica sinusoidale delle proprietà "campo elettrico" e "campo magnetico" dello spazio lungo l'onda. Nel tempo e nello spazio.

Se prendi un'istantanea della situazione al momento t = 1 sec, per esempio, e immagini di avere uno strumento magico in grado di misurare quelle "proprietà" relative alla distanza dal trasmettitore.

Ora se tracciate il valore misurato del campo elettrico in un diagramma xy in cui x è la distanza dal trasmettitore e y il valore letto sul vostro strumento, vedrete un seno, come quello che vedete sui libri di testo. Significa solo che qui E = 0 ma 10m laggiù sono 10 V / m, a 20m è di nuovo 0 e a 30m è -10 V / m ... per esempio.

Questo è volutamente semplificato, ma ho pensato che l'obiettivo qui era quello di dare alcuni suggerimenti che permettessero di costruire un'intuizione sull'argomento.

Se potessi in qualche modo visualizzare i campi elettrici e magnetici intorno a te in un dato momento, sarebbero molto casuali, qualcosa come la superficie dell'oceano, perché ciò che vedresti sarebbe la sovrapposizione di onde generate da molte fonti diverse.

Tendiamo a usare i sinusoidi per analizzare le onde, poiché hanno alcune importanti proprietà matematiche. Innanzitutto, Fourier ci ha mostrato che qualsiasi funzione (e in particolare le funzioni periodiche) può essere espressa come una somma di onde sinusoidali. In secondo luogo, usiamo equazioni differenziali (calcolo) per descrivere le proprietà fondamentali dei campi e l'integrale o la derivata di una sinusoide è un'altra sinusoide, che è molto conveniente.

Ecco una visualizzazione ragionevole delle onde radio che si propagano da una fonte puntuale

( fonte )

Tieni presente che è semplificato.

Le onde reali non scompaiono quando vanno a una certa distanza, ma la loro ampiezza diminuisce con la distanza.

Inoltre, questa visualizzazione fa sembrare che ogni onda sia un guscio sottile, ma devi immaginare che quella superficie rappresenti un picco e che il punto a metà strada tra due "gusci" sia una valle.

Mi è sempre piaciuta molto questa citazione di Feynman (Lectures in Physics, vol 2), che esprime quanto siano strane e misteriose le onde EM:

Ma Max Born ha un'altra cosa da dire a proposito del campo elettromagnetico, che non rispondere alla tua domanda, penso:

Questo è da p. 156 di questo bel libro. https://ia600409.us.archive.org/4/items/einsteinstheoryo00born/einsteinstheoryo00born.pdf )

E nella pagina successiva, Born disegna l'onda EM proveniente da un dipolo:

Ecco una risposta molto non tecnica, e probabilmente fisicamente non esatta, ma che potrebbe aiutare qualcuno che non è così in profondità a capirlo meglio (alias: spiegalo come se avessi cinque anni)

Ho visto questa foto divertente qualche tempo fa, su come il WIFI si diffonde in una casa:

È anche disponibile come gif, ma in qualche modo non posso inserirlo qui: il Wifi si diffonde attraverso l'animazione delle stanze

La connessione Wifi è una piccola radio (microonde). Proprio come le onde sonore, quelle onde che non dovresti immaginare come onde oceaniche che vanno su e giù, ma piuttosto come macchie di aria davvero densa e quindi aria molto sottile, quindi più come un'onda di impulso, piuttosto che un'onda di oceano. Naturalmente in caso di radiazioni / onde elettromagnetiche non è l'aria che diventa densa, ma il campo elettromagnetico è "denso" o "meno denso".

Quindi la funzione del seno traccia semplicemente quanto sia denso il mezzo. E quel mezzo è nel caso dell'aria delle onde sonore, nel caso delle onde radio il campo elettromagnetico. Anche se quest'ultima affermazione potrebbe non essere fisicamente accurata al 100%.

Quindi alla fine della giornata la funzione del seno traccia semplicemente quanto è forte il campo, o piuttosto che tipo di carica ha. Misurando un punto nella stanza, tracciamo quindi la carica nel tempo: tracciamo una carica positiva e tracciamo la linea per una carica negativa.

Quindi, per rispondere alla tua domanda: le funzioni sin / cos ecc. Sono un'analisi di quelle onde radio da una prospettiva (ad esempio un punto nella stanza, e tracciamo la carica sull'asse ye il tempo sull'asse x). Ma non è che ci siano fasci di onde sinusali che viaggiano attraverso la stanza, perché la stanza è tridimensionale e l'onda reale è meglio descritta come aree "dense" e aree meno dense, che pulsano.

Lo spazio attraverso il quale viaggiano le onde non è una superficie bidimensionale, che può creare onde come fa un oceano, ma è tridimensionale. Quindi, invece di una superficie oceanica, è più simile a diverse esplosioni che si verificano da un punto, ritmicamente. Proprio come nell'animazione in questa risposta Viaggiano nello spazio come una sfera, e all'interno di quella sfera c'è un'altra sfera che si espande alla stessa velocità, e così via.

Apri l'animazione, quindi posiziona il cursore su un punto in questa stanza. Quale sarebbe il modo migliore per descrivere i cambiamenti di colore nel punto in cui si trova il cursore? Una funzione Sin, giusto?

Spero possa aiutare!

Sì, sappiamo come sono. Sono invisibili.

Le onde radio sono disturbi auto-propaganti nel campo E e B. Poiché non possiamo vedere i campi E e B, le onde radio sono invisibili.

Se vuoi piegare un po 'il termine "radio", allora puoi dire che una lunghezza d'onda stretta di circa un'ottava, circa 350 - 700 nm, è visibile all'occhio umano poiché quella è la lunghezza d'onda della luce visibile. Le onde luminose e radio sono la stessa cosa, tranne per la loro lunghezza d'onda. Di solito usiamo il termine "onde radio" per riferirci a lunghezze d'onda molto più lunghe della luce visibile.

Se stai chiedendo quale sia la "forma" dei disturbi del campo E e B, allora la risposta è che sono sinusoidi. Ciò non significa che una bella linea del seno vada su e giù come si trova in un'illustrazione del libro di testo. Ma la grandezza dei campi E e B segue una forma sinusoidale sulla distanza e nel tempo.

Le onde radio sono invisibili, sebbene la nostra comprensione di esse sia molto avanzata e non dovresti considerarle come mistiche. Si noti che i fotoni, a seconda del loro livello di energia, possono essere rilevati dall'occhio, ma ciò non equivale a dire che possiamo vederli. I fotoni sono le particelle che trasmettono informazioni visive ai nostri occhi. Per vedere un oggetto, un gran numero di fotoni deve viaggiare da esso verso l'occhio dell'osservatore ed essere focalizzato sulla retina. Secondo quella definizione, anche i fotoni sono invisibili, anche se l'occhio li rileva. Cito solo i fotoni perché so che qualcuno lo farà apparire in caso contrario.

Esistono vari modi per visualizzare le onde RF, come vengono assorbite o riflesse e come interferiscono tra loro e così via. Questi possono aiutare molto a capirli, ma ciò non cambia il fatto che le onde stesse siano invisibili.

Stai entrando nei regni della meccanica quantistica qui ...

Che cos'è un'onda? Che cos'è una particella? Qual è la differenza? Sono gli stessi?

Per semplificarlo un po 'e metterlo nel contesto dell'elettronica, è meglio pensare a una tensione CA in un filo.

Il filo è fatto di atomi. Gli atomi hanno elettroni. Gli elettroni vengono spostati dalla tensione per formare la corrente.

Quando la tensione è positiva, si muovono in un modo e quando in negativo si muovono nell'altro. L '"onda" è il movimento degli elettroni. Per semplificarlo ancora di più, immagina che ci sia un solo elettrone. Inserite una tensione CA sinusoidale e quel singolo elettrone si muoverebbe avanti e indietro in uno schema sinusoidale. Quindi l '"onda" in questo caso è la posizione di quell'elettrone mappata rispetto al tempo.

Ora, quando arriviamo alle onde radio, abbiamo un gioco con la palla completamente diverso. Siamo molto più interessati alla meccanica quantistica, ai campi, ecc.

In poche parole, no, non puoi "vedere" un'onda. L'onda è, se vuoi, una firma energetica. Prendi la luce, per esempio. È un'onda o è una particella? Bene, può essere pensato come entrambi. Come fotone è un oggetto fisico che interagisce con la retina dell'occhio per farti vedere le cose. Come un'onda è in grado di piegarsi e persino dividere (vedi Esperimento doppia fenditura ) in altre due onde e ricombinare.

Dal punto di vista delle particelle, la frequenza può essere considerata la velocità con cui vibra quella particella.

Un altro aspetto interessante è il suono. Sono onde, ma di un tipo diverso. Più simile all'elettricità AC: gli atomi dell'aria si muovono avanti e indietro nel tempo verso un'eccitazione (altoparlante), che puoi "vedere" con un microfono. E questo può essere visto come composto da onde sinusoidali in diverse combinazioni.

Quindi, per rispondere alla tua domanda: chiedi a Steven Hawking :) e poi vai ai forum di fisica.

Ci sono molte buone risposte qui, solo qualche altro commento:

Le onde radio sono governate dalle equazioni di Maxwell che descrivono i campi elettrici e magnetici in ogni punto dello spazio e del tempo. Lo spettro delle onde radio non si sovrappone a quello dei nostri sensi (a differenza, ad esempio, della luce visibile o dell'infrarosso), quindi non possiamo vedere le onde e osservarle solo misurandole. (Anche con la luce visibile, non osserviamo direttamente le onde, ma dal loro effetto sui nostri "sensori".)

I campi elettrici e magnetici sono vettori che variano nel tempo in ogni punto dello spazio, quindi anche se potessimo vederli, sarebbero animali complicati. Possiamo misurare aspetti dei campi usando antenne, sonde di campo, ecc.

$\sin$$\cos$$\sin$$\cos$

Le funzioni sin / cos ecc. Che stai imparando sono bidimensionali. Le onde radio sono tridimensionali, quindi le onde sinusoidali non trasmettono gran parte della realtà fisica. La matematica può descrivere le onde tridimensionali ma richiede calcoli vettoriali (equazioni di Maxwell), che sono molto più avanzati della tua attuale conoscenza matematica.

Continui a usare la frase "sembra" su qualcosa che è invisibile ai sensi umani.

Quindi domanda: quanta strumentazione posso usare per mostrarti queste onde?

Perché la loro natura è davvero quella di viaggiare regioni di eccitazioni di campi elettrici e magnetici e nella regione di campo lontano, nello spazio libero ...

• sono davvero onde trasversali (cioè entrambi i campi puntano perpendicolarmente alla direzione di propagazione),
• hanno davvero i componenti elettrici e magnetici in fase e perpendicolari l'uno all'altro.
• $E(x,t) = \sin(kx - \omega t)$$E(\vec{x},t) = \sin (\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t)$

La loro rappresentazione è rappresentativa della realtà, ma non puoi vedere apparire senza strumenti.

Saluti per Olli per la migliore risposta. Ovviamente è possibile immaginare "come appaiono le onde radio" - o meglio - qual è la forma dei disturbi del campo elettrico (e / o magnetico) che si propagano nello spazio - nonostante non possiamo vederli direttamente. Ma devi avere un po 'di conoscenza su di loro e un'immaginazione davvero ricca.

Dimentica il quanto e dimentica i fotoni. Questo non è un livello di fisica che la maggior parte può "immaginare" in modo percettivo. Tutti quelli sopra che menzionano i fotoni semplicemente non capiscono la tua domanda o non conoscono la risposta e sfuggono da essa attraversando il confine di qualcosa che va oltre la portata odierna delle persone. Questo è come parleremmo della forma esatta dell'atomo. Qual è la forma di un singolo atomo? E qual è la forma di un singolo protone? La gente non ha idea di cosa sia ed è molto probabile che non sia una pallina rotonda come nelle foto di scuola. Si può dire fintanto che non conosciamo la forma esatta dell'atomo non capiremo la correlazione tra l'onda elettromagnetica classica e le particelle elementari, cioè i fotoni, di cui si occupa la fisica quantistica.

Quindi atteniamoci alla fisica classica e alla sua comprensione di un fenomeno che si chiama radiazione elettromagnetica. Questo è sicuramente "accettabile", accade nella nostra scala (le onde radio comuni hanno lunghezze da 1 cm in su) ed è stata misurabile con precisione per decenni.

Tuttavia, per sorprendere, immaginare le onde elettromagnetiche è una buona idea prima "decifrare" e immaginare la propagazione delle onde acustiche. Sono abbastanza più facili da capire. Immagina una singola onda sonora (un solo impulso) come una bolla sferica rotonda di aria altamente compressa nell'ambiente di aria naturale (normale) e anche con l'aria "normale" al centro di essa. Solo uno "strato" di aria compressa disposto nella bolla sferica. Questo strato non inizia in modo così netto e non termina in modo netto. La transizione tra i valori della pressione dell'aria è delicata (come per un'onda :). Lo strato ha uno spessore di circa 34 cm (per l'onda da 1kHz) ma, come ho già detto, affronta uniformemente l'ambiente circostante e termina (sul lato interno) in modo uniforme. Il suo diametro è diciamo 1 metro. E ora questa bolla si sta espandendo nello spazio in tutte le direzioni. E' s sta diventando sempre più grande, ma lo spessore dello strato non cambia - è costantemente di 34 cm. Solo il suo diametro sta crescendo in tutte le direzioni intorno. La sua ampiezza (la differenza di pressione dell'aria) si indebolisce gradualmente e alla fine smette di esistere, scompare. Ma questo era solo un singolo "strato", un singolo impulso di un'onda acustica. Ora immagina la stessa bolla che cresce, ma dopo quella (esattamente 34 cm più profonda da questa) ne appare un'altra e ne segue una crescendo sfericamente, un'altra e un'altra in modo da avere tutta la salvezza che va una dopo l'altra, muovendosi i disturbi seriali della pressione dell'aria attraverso lo spazio in tutte le direzioni.

Ora scendiamo alle onde radio. La loro forma e propagazione hanno in realtà la stessa natura. Sono le bolle sferiche (strati curvi) che si diffondono nello spazio dalla loro fonte, uno dopo l'altro. La differenza più importante dalle onde sonore risiede in ciò che sono effettivamente le onde radio (quale fenomeno portano). Come abbiamo detto, le onde sonore portano incrementi di pressione dell'aria seriali. La loro ampiezza è la differenza tra i valori della pressione dell'aria nei picchi e nelle depressioni. Questo è tutto. L'onda elettromagnetica porta incrementi di campo elettrico. Uno "strato" (o impulso) di esso possiede una forza ingrandita del campo elettrico. Tra questi impulsi il valore del campo elettrico è uguale a zero. Quindi, mentre viaggiano nello spazio, il campo elettrico si alterna tra valore massimo e zero. Max - zero - max - zero - max - zero - e così via.

Inoltre, vale la pena aggiungere che il campo elettrico è una quantità vettoriale. Significa che ha la sua direzione. La direzione del campo elettrico in questo caso è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione (viaggiare) delle onde. Immaginando quindi un singolo impulso di onda radio come la nostra bolla sferica del campo elettrico, un'azione di questo campo è effettivamente diretta lungo la superficie della nostra bolla. In altre parole, le linee del campo elettrico sono curve, parallele alla superficie curva della bolla e perpendicolari al suo raggio. Consideriamo solo una singola ipotetica onda radio che viaggia in orizzontale. Ora possiamo presumere che la direzione del campo elettrico sia verticale. E ora arriva il punto: la direzione del campo elettrico si alterna tra gli impulsi. Per la nostra onda orizzontale - il campo nel primo periodo sale verticalmente e nel successivo scende. Quindi in una bolla è diretto verso l'alto, nel prossimo è diretto verso il basso. Tuttavia, i punti tra le bolle hanno valore di campo zero e ogni bolla ha un campo diretto opposto al campo della bolla adiacente. Possiamo riassumere come: max - zero - min - zero - max - zero - min - zero. Un'ampiezza dell'onda è la differenza tra l'intensità massima e minima (o come possiamo dire - negativa) del campo elettrico. Ricordando tutti i valori intermedi ora sappiamo perché lo disegnano come un'onda sinusoidale con l'asse orizzontale posizionato al centro (dove l'intensità del campo è uguale a zero). Non importa se la direzione del campo è su o giù: è ancora perpendicolare al viaggio dell'onda, non è vero? Ed è così che esattamente il campo elettrico è impostato nello spazio tra i successivi impulsi di onde (o tra bolle spaziali che crescono una dopo l'altra).

Ma c'è ancora un altro componente che sembra rendere le cose davvero complicate: il campo magnetico. In realtà questo non è così difficile da capire. L'attività del campo magnetico copre le stesse regioni del campo elettrico. Sono correlati in fase. In punti - o sfere spaziali effettivamente - dove il campo elettrico è zero - anche il campo magnetico è zero. Nelle sfere in cui l'intensità del campo elettrico ha i suoi picchi, anche l'intensità del campo magnetico ha picchi. Nelle sfere in cui il campo elettrico ha i suoi canali - il campo magnetico ha dei canali. Come indovinate, il campo magnetico è anche una quantità vettoriale perché le sue linee di azione hanno una direzione. La differenza fondamentale è che la direzione del campo magnetico è perpendicolare sia alla corsa dell'onda che alla direzione del campo elettrico. Come immaginiamo che la nostra ipotetica onda radio orizzontale con i picchi elettrici verticalmente verso l'alto e i canali elettrici verticalmente verso il basso nella direzione delle linee del campo magnetico si troverebbero lungo la linea della nostra vista. I picchi magnetici vengono quindi diretti verso di noi e la depressione magnetica viene diretta da noi. Se consideriamo un'area più ampia, anche le linee del campo magnetico devono percorrere una curva, lungo una superficie della sfera.

Non so quanto si possa capire da quello che ho detto :) Tuttavia l'idea principale è che si tratta di bolle di campo elettrico e magnetico ingrandite che alternano anche la sua direzione ogni seconda bolla e queste bolle crescono molto rapidamente. Mentre viaggiano attraverso lo spazio aumentando la forza del campo elettrico e magnetico si indebolisce (l'ampiezza diminuisce), perdono la loro energia e dopo una certa distanza percorsa finalmente svaniscono (come le onde acustiche).

In realtà la forma e la disposizione di tutte queste onde (sia acustiche che elettromagnetiche) è molto più complicata a causa di cose come la riflessione, l'interferenza, la diffrazione e la rifrazione. Le bolle si riflettono da vari oggetti come terra, edifici, alberi, automobili, pareti, mobili e così via. La bolla riflessa colpisce quella diretta e influenza la forma e l'esatto viaggio l'una dell'altra, quindi la topologia risultante delle onde è di solito molto complessa e imprevedibile dal punto di vista percettivo.

Per completare le differenze fisiche di base rispetto alle onde sonore che ovviamente conosciamo è: - non hanno bisogno di alcun mezzo, si auto-propagano e possono viaggiare attraverso il vuoto e molti materiali diversi; - la loro lunghezza d'onda può variare molto, ma per il Wi-Fi è di circa 9-15 cm, quindi è abbastanza vicino alla lunghezza d'onda del suono di cui abbiamo discusso; - la loro frequenza è estremamente più elevata (ad esempio 100 MHz per radio FM o 2,4 GHz per Wi-Fi); - la loro velocità di viaggio è anche estremamente più veloce (velocità della luce);

La forma delle onde è sferica e non assomiglia a quella che vedi nei libri di testo. Quello che vedi nei libri di testo sono solo una fetta dell'intera onda. Questo è tutto ciò di cui hai bisogno perché le altre sezioni hanno le stesse informazioni della sezione con cui stai lavorando.