¿Cómo se alejan las ondas electromagnéticas de una antena?

La antena es un dispositivo que consiste en una barra horizontal con corriente aplicada en ambos extremos. La corriente es alterna y varía armónicamente (por simplicidad)$I \sim I_0 e^{i\omega t}$.

De la ley de Ampere sabemos que la corriente generará un campo magnético armónicamente variable$B\sim B_0 e^{i\omega t}$, que a partir de la ley de Faraday generará un campo eléctrico alterno$\nabla \times B = \frac{1}{c^2}\frac{\partial E}{\partial t}$, dónde$E\sim E_0 e^{i\omega t}$.

De las ecuaciones de Maxwell:

En una pregunta suya similar en espera , respondí cómo lo que se llama la onda electromagnética clásica se propaga desde una antena. Lo que hace es una cuestión de mediciones y observaciones, y las soluciones de valores límite de las ecuaciones clásicas de Maxwell se ajustan a las observaciones y tienen éxito en la predicción de cualquier nueva configuración de radiación electromagnética. Entonces, la respuesta clásica es "porque eso es lo que se mide" .

Entonces, clásicamente, el cómo termina ahí. Sin embargo, hemos progresado y sabemos que el mundo es mecánico cuántico y que, en la base, consiste en partículas elementales y que el modelo exitoso actual es el modelo estándar . Entonces podemos, en el marco de la mecánica cuántica, ir al nivel inferior de "cómo" una antena irradia ondas electromagnéticas, observando que hemos encontrado experimentalmente que una onda de luz consta de fotones, partículas elementales en el modelo estándar.

Se pueden liberar de uno en uno y son pequeños puntos en la pantalla, pero a medida que aumenta su número, acumulan la interferencia clásica de la luz de la longitud de onda dada.

Así que podemos ir un paso más allá en el cómo: los electrones que se mueven en el conductor de la antena están radiando fotones individuales, que junto con innumerables fotones individuales de otros electrones emergen con una velocidad c en el espacio que rodea la antena. Construyen la onda electromagnética clásica de acuerdo con las matemáticas de la teoría cuántica de campos.

Ahora, por qué la luz consiste en un movimiento coherente de millones de fotones se responde "porque eso es lo que se ha observado y medido".

Debido a que creo que no tiene el conocimiento que otros en este sitio creen que tiene, creo que mi respuesta lo ayudará más, pero es una simplificación para que comprenda intuitivamente lo que está sucediendo.

Los campos eléctricos (cambios de valor del campo eléctrico, antes de que las personas comiencen a votar negativamente) están siendo "creados" constantemente por electrones, incluso si no se están moviendo. Esos campos están constantemente volando lejos de la fuente. Pero debido a que las 3 dimensiones espaciales de nuestro universo, se están volviendo más pequeñas en valor por distancia al cuadrado. Esta es la razón por la cual el campo eléctrico es más fuerte cuanto más cerca estás del electrón y se vuelve considerablemente más débil cuando te alejas de él.

Cuando comiences a mover el electrón, verás ese cambio en el campo eléctrico solo después de que ese cambio en el campo eléctrico te alcance con la velocidad de la luz.

Ahora, cuando tenemos corriente alterna en la antena, eso genera un campo magnético cambiante alrededor de esa corriente, que luego se aleja a la velocidad de la luz. Como sabemos, los campos magnéticos cambiantes generan un campo eléctrico cambiante y eso genera nuevamente un campo magnético cambiante....

La energía transportada por un campo eléctrico y magnético cambiante es cuantificada por lo que llamamos un fotón. Pero las cosas se complican mucho más a partir de aquí.

Una señal de onda portadora pura (sin información/modulación de audio) es básicamente una onda sinusoidal de CA de alta frecuencia generada por el transmisor. Un conductor con un potencial en los extremos crea un campo eléctrico a lo largo del cable y un campo magnético que gira a su alrededor en ángulo recto.
A frecuencias de RF superiores (30 KHz AC), estos campos comienzan a irradiarse hacia el exterior como electromagnetismo (ondas EM).
El campo eléctrico E es paralelo a la longitud de la antena, mientras que el campo magnético H, aún en fase con el campo E, está a 90 grados de la antena (sigue la dirección del campo H desde el cable).
Cuando el transmisor invierte la polaridad, los campos E y H(M) también invierten la polaridad.
Esta inversión de polaridad se repite a la frecuencia generada por el transmisor.
En el libro "Comunicación electrónica moderna", el texto extraído describe los conceptos básicos (artículo largo abreviado para publicación):
Ondas electromagnéticas : todos los circuitos eléctricos contienen campos E y M. En los circuitos, esta energía suele devolverse al circuito cuando el campo colapsa.
Si el campo no devuelve completamente su energía al circuito, la onda se irradia parcialmente o se libera del circuito.
Una antena resonante eficiente está diseñada para no permitir que la energía electromagnética colapse de nuevo en el circuito.
Esto se debe a que la corriente fluye en dirección opuesta (nul).
Por lo tanto, este medio ciclo de forma de onda de polaridad inversa (negativa) también se transmite.
Los campos E y H interactúan entre sí, como un generador/motor (electricidad<>magnetismo).
Se dice que la onda es transversal ya que las oscilaciones son perpendiculares (a 90 grados) a la dirección de propagación (viaje de la onda).
Las antenas tienen polarización (vertical u horizontal) que está determinada por la dirección de su componente de campo E.
Como regla general, las antenas de transmisión y recepción deben tener la misma polarización para lograr la máxima eficiencia.
Para ver una animación gráfica de la radiación EM, vaya a Physics Stack Exchange>[Electromagnetic-Radiation]>@asmeurer (respuesta).