Radiación de antena [duplicado]

La siguiente es una imagen simplificada y, como tal, invito a los expertos y especialistas aquí presentes a ofrecer sus perspectivas.

Como señaló The Photon, las transiciones de electrones entre orbitales dentro del campo eléctrico de un núcleo no son la única forma de producir fotones.

Cada vez que se acelera un objeto con carga eléctrica, un campo electromagnético se propaga lejos de ese objeto. Un emisor de radiofrecuencia (lo llamaremos antena) no emite ondas electromagnéticas debido a las transiciones de energía de electrones a nivel atómico que ocurren dentro de él. Para propósitos prácticos, una antena en radiofrecuencias se aproxima convenientemente como un dispositivo de adaptación de impedancia que acopla una fuente de corriente alterna de alta frecuencia, flujo de corriente eléctrica de alto voltaje con la impedancia característica del espacio libre.

En el rango de frecuencia de CC a microondas del infrarrojo cercano, la forma más conveniente de representar la radiación electromagnética, comprender su comportamiento y calcular sus efectos es, por lo tanto, el modelo de onda (a través de las ecuaciones de Maxwell) y no el modelo de fotones. Esto no significa que, en principio, no pueda imaginar que las ondas de radio consisten en muchos fotones con energías extremadamente bajas, simplemente significa que no tiene que hacerlo para calcular.

Una vez que se encuentra en la región de frecuencias infrarrojas y por encima, lo contrario es cierto: aunque ciertamente puede modelar la radiación IR como ondas, generalmente es más conveniente tratarla como si consistiera en fotones (con altas energías) y calcular de acuerdo con las reglas de QED en su lugar.

Considere que usted y yo estamos parados uno frente al otro y ambos tenemos cargas eléctricas de suficiente cantidad y polaridad opuesta que se atraen entre sí debido a la fuerza básica de Coulomb. Permitimos el movimiento arriba-abajo y de izquierda a derecha, pero ningún movimiento a lo largo de la línea imaginaria que nos conecta. Elevo mi carga y tu carga sigue, la bajo y tu carga sigue. Lo muevo a mi izquierda y tu carga sigue a tu derecha.

Si lo agito de un lado a otro, tu carga también se tambalea de un lado a otro. Yo soy, efectivamente, una antena transmisora ​​y tú eres una antena receptora. Si muevo mi carga de izquierda a derecha un millón de veces por segundo, tu carga también se moverá un millón de veces por segundo y deberíamos poder sintonizar esto con una radio AM. Si muevo mi carga de un lado a otro 100 millones de veces por segundo, debería poder sintonizarla con una radio FM. Si lo muevo hacia adelante y hacia atrás 500 billones de veces por segundo, debería verlo como un borrón de luz naranja.

Eso es lo que es la radiación EM. Si hubiera un astrónomo a la misma distancia de nosotros dos y este astrónomo ve que mi carga se mueve y la tuya se mueve más tarde como resultado, esa diferencia de tiempo es la distancia entre nosotros dividida por la velocidad de la luz.

Es la misma canción y baile si tú y yo somos tan grandes como dioses y ambos estamos sosteniendo un planeta que atrae al otro. Puedo agitarlo de un lado a otro y eso sería emitir una onda gravitatoria que se propaga a la misma velocidad de$c$.

Entonces, en el conductor de su antena, hay carga en la capa exterior de electrones libres de los átomos metálicos. Todas estas capas externas con electrones libres comprenden un área "común" donde los electrones y los átomos cambian de pareja sin esfuerzo. Conectar eso a un transmisor obliga a esos electrones que flotan en el "común" a chapotear de un lado a otro. Esta es la razón por la que normalmente necesita que su antena sea más o menos$\frac12$de longitud de onda larga, de modo que la carga pueda deslizarse hacia un extremo del elemento de la antena accionada y luego comenzar a retroceder, impulsada por el transmisor conectado a la antena. Lo mismo con la antena receptora, para que sea eficiente, el elemento de la antena receptora debe permitir que la carga se desplace de un lado a otro a lo largo del elemento en un solo ciclo. Luego, de manera similar a nosotros, dos personas que sostienen una carga "gratis" en nuestras manos y uno de nosotros la conduce de un lado a otro y el otro le permite responder, ese es el mecanismo de cómo las antenas transmiten una onda EM y detectan o reciben esa onda EM.

El problema central con su tratamiento es este:

estarían en un rango multi-THz, dictado por las bandas de energía del material de la antena.

El movimiento de electrones que provoca la corriente de la antena no corresponde a transiciones entre diferentes bandas en el material conductor de la antena; en cambio, corresponde a transiciones impulsadas entre diferentes estados dentro de la banda de conducción.

Por lo tanto, si desea pasar esto a un formalismo QED (un movimiento que, en términos generales, es innecesario, ya que los experimentos reales normalmente no podrán discriminar entre las predicciones de QED y la electrodinámica clásica, pero aún es algo que necesitamos poder hacer incluso si no lo usamos), entonces las transiciones relevantes son aquellas entre los diferentes estados dentro de la banda. Estos son estados muy diferentes, con funciones de onda de base ortogonal y toda la maquinaria necesaria, pero (debido a que forman una banda) las diferencias de energía entre estos estados forman un continuo completo dentro de la banda, y habrá mucha densidad de estados en cualquier momento. longitud de onda central en el rango de radio que desea nombrar.

La antena no irradia/transmite ni transforma energía. Simplemente dirige la energía. Es todo el sistema, Tx/Tx-Line/Antenna que transmite. En todo momento, la energía que se transfiere a una antena sigue la trayectoria del vector de Poynting, que es, en todo momento, tangencial ya lo largo de la superficie del conductor emisor perfecto y, por lo tanto, NO irradia energía en absoluto. Y, de hecho, los propios elementos de la antena CONSUMEN esa energía y se calientan. Sin embargo, en los puntos de los elementos del dipolo de la antena donde las corrientes van de máximo a mínimo y al revés, los electrones de la piel están -+ acelerados en todo momento. La generación de fotones sigue como consecuencia de eso. De acuerdo con el Principio de Acción Mínima [Feynman, Lectures on Physics, Vol-II, Capítulo-19], los fotones generados deben seguir la dirección de menor consumo de energía hacia el espacio circundante [los fotones pierden energía debido a la resistencia de 120π del espacio vacío] Esas trayectorias son eventualmente lugares geométricos de los valores del campo EM que emergen de los fotones generados. Y esa es una explicación clásica de la Física.

Sin embargo, el espacio no está vacío y, como tal, la fluctuación cuántica ocurre en todo momento. Cerca de una antena, en los puntos donde el voltaje va de máximo a mínimo, etc., se genera un gradiente de voltaje entre las cargas superficiales y el potencial cuántico del espacio circundante de la antena. Eso da lugar a fotones virtuales que interfieren en la geometría de la antena y, de acuerdo con su geometría, forman los patrones de neveras respetados que se propagan en el espacio libre como ondas planas. El llamado campo cercano de una antena es el espacio donde emergen los fotones virtuales y forman el patrón de radiación final. Y esta es la explicación QED de la radiación.

Espero que esto ayude. John