Le antenne possono essere viste come fonti di luce?

Chiaramente le antenne non sono altro che un dispositivo per irradiare energia elettrica attraverso le onde elettromagnetiche.

Dato che anche la luce visibile è semplicemente una certa gamma di frequenze, non è più facile pensare alle antenne come a diverse forme di sorgenti di "luce"?

Come un'antenna direzionale è una torcia portatile, ad alta potenza significa luci di inondazione?

Perché non possiamo semplicemente affermarlo nella natura delle particelle poiché sarà matematicamente molto più semplice della teoria delle onde?

In alcuni casi, puoi: Se hai una grande antenna direzionale, potrebbe, da molto lontano, sembrare semplicemente una "torcia" generatrice di raggi per le onde radio. Ciò si rompe molto rapidamente se le lunghezze d'onda non sono molto, molto più piccole di tutti gli oggetti fisici che interagiscono con essi.

Usiamo persino termini specifici: se le lunghezze d'onda sono molto piccole rispetto a tutti gli oggetti che incontrano e alcune semplici formule "macroscopiche" possono descrivere il loro comportamento, parliamo di propagazione ottica (raggio) . Quando si tratta di RF, non lo facciamo; La RF non si comporta come la luce e quindi l'utilità dell'analogia non esiste. Quindi no, non possiamo essere "matematicamente molto più semplici", perché il modello più semplice di ciò che conosci come propagazione della luce semplicemente non funziona¹.

Nella maggior parte dei casi, non è possibile confrontare le antenne con le sorgenti luminose.

Innanzitutto, l'analogia con le sorgenti luminose non funziona completamente: la torcia funziona con corrente continua proveniente da una batteria. Le onde che escono hanno frequenze superiori a 10¹⁵ Hz. In un'antenna, il metodo per generare l'onda si basa sulla corrente che entra nell'antenna già avendo la frequenza da emettere e l'antenna agisce semplicemente come componente di adattamento dell'impedenza tra il conduttore d'onda e lo spazio libero.

Quindi, l'onda emessa da un'antenna ha una sorta di fronte d'onda, che implica una fase coerente! Il tuo LED o lampadina non lo ha affatto.

Quindi, il raggio di luce di una torcia è semplicemente fisicamente molto diverso dal raggio di un'antenna.

Hai ragione, le antenne e le sorgenti luminose sono costrutti equivalenti. Ma la matematica delle sorgenti luminose non è così semplice come sembra pensare.

Il motivo per cui la maggior parte delle risposte finora le vede come diverse è solo una questione di scala. Mentre chiameremmo comunemente lunghezze d'onda "RF" di 1 mm o superiori (300 GHz) e lunghezze d'onda "leggere" di 1 µm e inferiori (300 THz), con qualche concessione per ciò che si trova tra (è "luce a infrarossi bassi" o "microonde" ?), le equazioni che regolano il loro comportamento sono esattamente le stesse: di Maxwell .

Il problema è che una così grande differenza di scale ha conseguenze sul modo in cui queste interagiscono con il mondo. Mentre puoi avere componenti discreti che interagiscono per generare un segnale RF da 1 m, per generare un segnale luminoso da 100 nm devi considerare l'interazione tra gli elettroni e i loro livelli di energia.

• Mentre un segnale RF a 10 m strettamente focalizzato si propagherà attorno a un disco metallico da 1 m senza apparentemente alcuna interazione, un raggio di luce da 1 µm a fuoco stretto verrà completamente arrestato sulle sue tracce. Mentre il primo sarebbe fermato da una gabbia di Faraday in mesh con aperture di 10 cm, il secondo passerà senza ostacoli. I materiali quasi completamente trasparenti l'uno fermeranno completamente l'altro e viceversa.

• Mentre avresti bisogno di un'antenna piuttosto massiccia per mettere a fuoco un raggio RF di 10 cm per raggiungere il 90% di potenza in un punto 1m a 1km, gli obiettivi equivalenti per fare lo stesso con 1µm di luce potrebbero stare in una mano.

• Mentre puoi principalmente ignorare gli effetti atmosferici (l'interazione dell'energia RF con le molecole d'aria) al di sotto di 1 GHz o giù di lì, le condizioni atmosferiche presto domineranno sopra quello e diventeranno l'effetto principale alle frequenze luminose.

• Le persone che progettano lenti ottiche sono ben consapevoli dei problemi relativi ai segnali a banda larga (la luce visibile occupa un'intera ottava da 380 a 740 nanometri o 430-770 THz). Questi sono equivalenti ai problemi che devono affrontare i progettisti di RF a banda larga, ma la RF a banda larga raramente copre anche il 5% della frequenza portante.

La maggior parte dell'ingegneria ha a che fare con modelli, modelli che semplificano notevolmente il problema e hanno una gamma di validità (tutti i modelli sono sbagliati, alcuni sono utili). Ecco perché nelle gamme inferiori di RF ci occupiamo delle leggi di KCL, KVL e Ohm nei nostri circuiti invece di cercare di risolverli mediante l'applicazione diretta delle equazioni di Maxwell. Ma aumenta la frequenza e ora devi passare ai parametri s e alle linee di trasmissione poiché i fili smettono di comportarsi come semplici fili. Andare ancora più in alto, nel dominio della "luce", e ora è consigliabile usare i fotoni e i livelli di transizione dell'energia degli elettroni.

Ma tutti questi modelli sono solo semplificazioni delle equazioni di Maxwell con il loro ristretto dominio di applicabilità . Sapere questo e dove i modelli falliscono, può aiutare a innescare il nostro intuito progettuale.

In primo luogo, "luce" da sola di solito significa "luce visibile". Le antenne non emettono luce visibile.

Possiamo dire più correttamente che la luce è radiazione EM e le antenne emettono radiazione EM.

Perché non possiamo semplicemente affermarlo nella natura delle particelle in quanto sarà matematicamente molto più semplice

È? Non hai citato nessuno dei calcoli nel tuo post. E per la maggior parte degli scopi il modello d'onda è ciò che vogliamo; ci dice dove le onde radio possono essere ricevute più fortemente. Per la maggior parte delle frequenze di comunicazione onde radio non sono un "raggio" simile alla luce, si diffondono molto.

In alcuni casi, si può. E sicuramente nel nostro mondo di metri la luce può essere approssimata in modo molto affidabile come un raggio. Ma anche un'onda EM può raggiungere una scala di 1000000000, con oggetti che si trovano solo in molte migliaia di chilometri.

Ma la vita sembra semplice solo per l'ottica nel nostro mondo. Quando abbiamo a che fare con la propagazione della luce attraverso strutture di dimensioni micrometriche, array o conduttori, l'approssimazione dei raggi non è di alcuna utilità. (Google plasmonici, fotonici o cristalli fotonici ecc. Usano modalità, risonanze, più equazioni di Maxwell.) Proprio come manca il potere di spiegare con precisione i fenomeni RF nel nostro mondo.

Perché non possiamo semplicemente affermarlo nella natura delle particelle poiché sarà matematicamente molto più semplice della teoria delle onde?

Quando diciamo che un fotone è una "particella" di energia luminosa, intendiamo che solo quantità discrete di energia possono essere assorbite o emesse nel campo elettromagnetico.

Ma queste particelle non si muovono secondo le regole della balistica che si applicano ai proiettili o alle palle da biliardo. Si muovono secondo un'equazione d'onda che è essenzialmente la stessa dell'equazione d'onda che descrive la propagazione elettromagnetica classica.

Quindi non c'è pranzo gratis qui. Le "particelle" elettromagnetiche sono matematicamente complesse come le onde che sostituiscono.

Le antenne possono essere trattate come una fonte di luce, ma emettono in modo diverso. Se stai considerando un'antenna RF normale, allora non irradiano luce visibile che trasporta informazioni perché la luce ha una frequenza molto più alta della frequenza di risonanza dell'antenna. Un'antenna RF tipica (3 KHz e 300 GHz) è semplicemente troppo grande per emettere in modo efficiente luce visibile (430–770 THz) a causa di queste dimensioni non corrispondenti. Ma è possibile con alcune antenne come le nanoantenne plasmoniche. Di diversi dispositivi che emettono luce visibile in modo controllato, le nanoantenne plasmoniche sono le più vicine alle antenne radio tradizionali.