¿Sabemos cómo es una onda de radio?

Olvida las cosas cuánticas por un momento. Si quieres aprender sobre electrodinámica cuántica, lee QED de Richard Feynman. (Deberías 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 empujar o tirar mecánico. Una de las cosas sobre las que pueden actuar las fuerzas EM 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 inicia 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 varía la amplitud de la onda (es decir, la intensidad de la fuerza) en el espacio y el tiempo. Las ondas sinusoidales tienden a aparecer mucho por las razones que mencionó Dave: son soluciones simples para 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 utilizan para hablar de 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 señales de prueba simples. La radiación de las líneas eléctricas también estaría bastante cerca de una onda sinusoidal pura.

Si quieres visualizar una onda de radio, imagina estar bajo el agua cerca de una playa. Las corrientes no son visibles, pero aún puedes sentir las olas 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 forma sinusoidal que se mueve a la velocidad de la luz.

Una onda de radio está formada por un campo eléctrico y un campo magnético. Piensa 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 de aquí es de 10 V/m. Pero allí 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 momento t = 1 segundo, por ejemplo, e imagine 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 gráfico xy donde x es la distancia al transmisor e y 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 10m por allá es 10 V/m, a 20m es 0 otra vez ya 30m es -10 V/m... por ejemplo.

Esto está deliberadamente simplificado, pero pensé que el objetivo aquí era dar algunas pistas que permitieran 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 estarías viendo sería la superposición de ondas generadas por 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 las funciones periódicas) se puede expresar 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 ondas de radio que se propagan desde una fuente puntual

( fuente )

Tenga en cuenta que está simplificado.

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

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

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

Pero Max Born tiene otra cosa que decir sobre el campo EM que responde a su pregunta, creo:

Esto es de la pág. 156 de este genial libro. 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 está tan metido en el tema a entenderlo mejor (también conocido como: explícalo como si tuviera cinco años)

He visto esta divertida imagen hace un tiempo, sobre cómo se propaga WIFI en una casa:

También está disponible como gif, pero de alguna manera no puedo insertarlo aquí: Wifi se propaga por todas las habitaciones animación

Wifi son pequeñas ondas de radio (microondas). Al igual que las ondas sonoras, esas ondas no deben imaginarse como olas del océano que suben y bajan, sino como parches de aire realmente denso, y luego aire muy delgado, más como una onda de impulso que como una ola del océano. Por supuesto, en el caso de la 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 representa qué tan denso es el medio. Y ese medio es en el caso de las ondas sonoras el aire, en el caso de las ondas de radio el campo electromagnético. Aunque esta última declaración puede no ser 100% precisa físicamente.

Entonces, al final del día, la función sinusal solo representa qué tan fuerte es el campo, o más bien qué tipo de carga tiene. Midiendo un punto en la habitación, trazaremos la carga a lo largo del tiempo: trazaremos hacia arriba para la carga positiva y dibujaremos la línea hacia abajo para la carga negativa.

Entonces, para responder a su pregunta: las funciones seno/coseno, etc. son un análisis de esas ondas de radio desde una perspectiva (por ejemplo, un punto en la habitación, y trazamos la carga en el eje y, y el tiempo en el eje x). Pero no es como si hubiera haces de ondas sinusoidales viajando 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 ondas no es una superficie bidimensional, que puede crear ondas como lo hace un océano, sino que es tridimensional. Entonces, en lugar de la superficie de un océano, es más como varias explosiones que suceden desde un lugar, rítmicamente. Al igual que en la animación de esta respuesta , viajan por el 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 Sin, ¿verdad?

¡Espero que ayude!

Sí, sabemos cómo son. 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 cambiar 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 está preguntando cuál es la "forma" de las perturbaciones del campo E y B, entonces la respuesta es que son sinusoides. Eso no significa una buena línea sinusoidal que sube y baja como la que se encuentra en una ilustración de un libro de texto. Pero, la magnitud de los campos E y B siguen una forma sinusoidal con la distancia y el tiempo.

Las ondas de radio son invisibles, aunque nuestra comprensión de ellas es muy avanzada, y no debes 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 radiofrecuencia, cómo se absorben o reflejan, cómo interfieren entre sí, etc. Estos pueden ser de gran ayuda para entenderlos, pero esto no cambia el hecho de que las ondas 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. Los electrones son movidos por el voltaje para formar la corriente.

Cuando el voltaje es positivo se mueven en un sentido y cuando es negativo se mueven en el otro. La "onda" es el movimiento de los electrones. Para simplificarlo aún más, imagina que solo hay un electrón. Pones un voltaje de CA sinusoidal, y ese único electrón se movería hacia adelante y hacia atrás en un patrón sinusoidal. Entonces, la "onda" 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. Estamos mucho más en la mecánica cuántica, campos, etc.

En pocas palabras, no, no puedes "ver" una ola. La ola es, si se quiere, una firma de energía. Tome la luz, por ejemplo. ¿Es una onda o es una partícula? Bueno, se puede pensar en ambos. Como fotón, es un objeto físico que interactúa con la retina de tu ojo para hacerte ver cosas. Como onda, es capaz de doblarse e incluso dividirse (ver el Experimento de la Doble Ranura ) en otras dos ondas y volver a combinarse.

Desde la perspectiva de la partícula, la frecuencia se puede considerar como la rapidez con la que vibra esa partícula.

Otra buena para mirar es el sonido. Eso son olas, pero de otro tipo. Más parecido a la electricidad de CA: los átomos del aire se mueven hacia atrás y hacia adelante en el tiempo hasta una excitación (altavoz), que puede "ver" con un micrófono. Y se puede ver que todo está formado por ondas sinusoidales en diferentes combinaciones.

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

Hay muchas buenas respuestas aquí, 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 del espacio y el tiempo. El espectro de ondas de radio no se superpone con el de nuestros sentidos (a diferencia de, por ejemplo, la luz visible o el infrarrojo), por lo que no podemos ver las ondas y solo las observamos 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 utilizando 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 puros.$\sin$/$\cos$ondas. Las leyes de conservación significan que los campos son de naturaleza repetitiva y en muchos casos pueden ser tratados como periódicos. Señales que involucran$\sin$/$\cos$a menudo son soluciones de las ecuaciones diferenciales subyacentes y se utilizan como "bloques de construcción" para encontrar soluciones a escenarios más complicados.

Las funciones de seno/coseno, etc. 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 requieren cálculo vectorial (ecuaciones de Maxwell), que son mucho más avanzadas que sus conocimientos matemáticos actuales.

Sigues 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 es realmente la de regiones viajeras 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 parece$E(x,t) = \sin(kx - \omega t)$debiera ser$E(\vec{x},t) = \sin (\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t)$.

Las imágenes son representativas de la realidad, pero no se pueden ver sin herramientas.

Saludos para Olli por la mejor respuesta. Por supuesto, es posible imaginar "cómo se ven las ondas de radio", o más bien, cuál es la forma de las perturbaciones del 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 pueda "imaginar" de manera perceptiva. Todos los de arriba que mencionan sobre los fotones simplemente no entienden su pregunta o no saben la respuesta y escapan de ella cruzando la frontera de algo que está más allá del alcance de las personas de hoy. Esto es como hablaríamos de 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 lo que es y lo más probable es que no sea una pequeña bola redonda como en las fotos escolares. 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, de los que se ocupa la física cuántica.

Así que atengámonos a la física clásica y su comprensión de un fenómeno que se llama radiación electromagnética. Esto es sin duda "aceptable", sucede 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, para imaginar ondas electromagnéticas es muy buena idea primero 'descifrar' e imaginar la propagación de ondas acústicas. Son bastante más fáciles de entender. Imagine una sola onda de sonido (un solo pulso de ella) como una burbuja esférica redonda de aire altamente comprimido en el entorno 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 la presión del aire es suave (como para una ola:). La capa tiene un grosor de aproximadamente 34 cm (para una onda de 1 kHz) pero, como dije, mira hacia el entorno sin problemas y termina (en el lado interno) también sin problemas. Su diámetro es digamos de 1 metro. Y ahora esta burbuja se está expandiendo en el espacio en todas direcciones. Eso' Es cada vez más y más grande, pero el grosor de la capa no cambia: es de 34 cm constantemente. Sólo su diámetro está creciendo en todas las direcciones alrededor. Su amplitud (la diferencia de presión del aire) se debilita gradualmente y eventualmente deja de existir, desaparece. Pero esto era solo una sola 'capa', un solo pulso de una onda acústica. Ahora imagina la misma burbuja creciendo pero después de eso (exactamente 34 cm más profundo que este) aparece otra y sigue a esa creciendo esféricamente, y otra, y otra para que tengamos toda la salva de ellas yendo una tras otra, moviéndose las perturbaciones de la presión del aire en serie a través del espacio en todas las direcciones.

Ahora pasemos a las ondas de radio. Su forma y propagación tienen en realidad la misma naturaleza. Son las burbujas esféricas (capas curvas) que se esparcen en el espacio desde su fuente, una tras otra. La diferencia más importante con las ondas de sonido radica en lo que realmente son las ondas de radio (qué fenómeno transmiten). Como dijimos, las ondas de sonido llevan incrementos de presión de aire en serie. Su amplitud es la diferencia entre los valores de presión del aire en los picos y en los valles. 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 simplemente alterna entre el valor máximo y cero. Max - cero - max - cero - max - cero - y así sucesivamente.

Además, vale la pena agregar que el campo eléctrico es una cantidad vectorial. Quiere decir 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, la 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 una sola 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 burbujas tienen un valor de campo cero y cada burbuja tiene un campo dirigido de manera opuesta al campo de la burbuja adyacente. Podemos resumirlo como: max - zero - min - zero - max - zero - min - zero. La 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, sigue siendo perpendicular al viaje de la onda, ¿no es así? no? Y así es exactamente como se establece el campo eléctrico en el espacio entre pulsos de ondas posteriores (o entre burbujas espaciales que crecen una tras otra).

Pero hay otro componente que parece complicar mucho las cosas: el campo magnético. En realidad esto no es tan difícil de averiguar. 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 esferas donde la intensidad del campo eléctrico tiene sus picos, la intensidad del campo magnético también tiene picos. En esferas donde el campo eléctrico tiene sus canales, el campo magnético tiene canales. Como adivinas, el campo magnético también es una cantidad vectorial porque sus líneas de actuación tienen dirección. La diferencia básica es que la dirección del campo magnético es perpendicular tanto al viaje de la onda como a la dirección del campo eléctrico. Como imaginamos nuestra onda de radio horizontal hipotética con los picos eléctricos verticalmente hacia arriba y los valles eléctricos verticalmente hacia abajo, la dirección de las líneas del campo magnético estaría a lo largo de la línea de nuestra vista. Luego, los picos magnéticos se dirigen hacia nosotros y los valles magnéticos se alejan de 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 eléctrico y magnético magnificado que también alternan su dirección cada segunda burbuja y estas burbujas crecen muy rápidamente. A medida que viajan a través del espacio, la fuerza del campo eléctrico y magnético se debilita (la amplitud disminuye), pierden su energía y, después de recorrer cierta distancia, finalmente se desvanecen (al igual que las ondas acústicas).

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

Para completar las diferencias físicas básicas de las ondas sonoras, lo que obviamente sabemos es: - no necesitan ningún medio, se propagan por sí mismas y pueden viajar tanto a través del vacío como de muchos materiales diversos; - su longitud de onda puede variar mucho, pero para Wi-Fi es de aproximadamente 9-15 cm, por lo que es bastante similar a la longitud de onda del sonido que discutimos; - su frecuencia es extremadamente superior (por ejemplo, 100 MHz para radio FM o 2,4 GHz para Wi-Fi); - su velocidad de viaje también es extremadamente 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 es 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.