Sabemos como é uma onda de rádio?

Na aula de pré-cálculo, estamos aprendendo sobre sin / cos / tan / cot / seg / csc e suas amplitudes, períodos e mudanças de fases. Estudei eletrônica on e off por cerca de um ano. Eu gostaria de saber se realmente sabemos como são as ondas? eles realmente se parecem com o seno e o cosseno como nos livros didáticos de matemática? Ou essas funções de onda são apenas representações de algo que não podemos ver, apenas podem analisar seus efeitos. E, portanto, algo que não sabemos como eles são.

Por favor explique

Obrigado

Esqueça as coisas quânticas por um momento. Se você quiser aprender sobre eletrodinâmica quântica, leia QED de Richard Feynman. (Você deve lê-lo de qualquer maneira; talvez seja o único livro de física pop realmente bom.)

Classicamente, um campo eletromagnético é um campo de força que atua sobre carga elétrica. Não "parece" algo mais do que um empurrão ou puxão mecânico. Uma das coisas em que as forças EM podem agir são as moléculas. Eles podem mudar a forma das moléculas ou (em altas frequências) até quebrar ligações químicas. É assim que você vê - a luz estimula uma reação química nas células da retina, que inicia uma cadeia de reações químicas que culminam na atividade cerebral.

Quando dizemos que uma onda de rádio pode ser descrita como uma onda senoidal, estamos falando sobre como a amplitude da onda (ou seja, a força da força) varia ao longo do espaço e do tempo. As ondas senoidais tendem a aparecer muito pelas razões mencionadas por Dave - são soluções simples para equações diferenciais de segunda ordem, e você pode usar a análise de Fourier para descrever outros sinais em termos de sinusóides. As ondas senoidais também são usadas para falar sobre som, pela mesma razão.

A maioria das ondas de rádio não será sinusóide pura, mas muitas são baseadas em sinusóides. Por exemplo, as amplitudes das ondas de rádio AM são sinusóides cuja amplitude varia lentamente. As amplitudes das ondas de rádio FM são sinusóides cujas frequências variam lentamente. Aqui está uma ilustração, cortesia de Berserkerus no Wikimedia Commons :

Observe que o sinal de exemplo nesta imagem também é uma onda senoidal. Isso não é um acidente. As ondas senoidais funcionam bem como simples sinais de teste. A radiação das linhas de energia também seria bem próxima de uma onda senoidal pura.

Se você deseja visualizar uma onda de rádio, imagine estar debaixo d'água perto de uma praia. As correntes não são visíveis, mas você ainda pode sentir as ondas de água em movimento enquanto elas o empurram para frente e para trás. É o que as ondas de rádio fazem com os elétrons de uma antena.

Uma onda de rádio não é como uma corda invisível com uma forma sinusoidal que se move na velocidade da luz.

Uma onda de rádio é composta de um campo elétrico e um campo magnético. Pense nisso como uma propriedade do espaço. Por exemplo, a propriedade "cor" de uma banana é "amarela". A propriedade "campo elétrico" desse pedaço infinitesimal de espaço aqui é 10 V / m. Mas por lá são 20 v / m.

Uma onda de rádio de frequência fixa pura é a modificação sinusoidal das propriedades "campo elétrico" e "campo magnético" do espaço ao longo da onda. No tempo e no espaço.

Se você tirar uma foto da situação no tempo t = 1 segundo, por exemplo, e imaginar que possui um instrumento mágico capaz de medir essas "propriedades" em relação à distância do transmissor.

Agora, se você plotar o valor medido do campo elétrico em um gráfico xy em que x é a distância do transmissor e y o valor que você lê no seu instrumento, você verá um seno, como o que você vê nos livros didáticos. Significa apenas que aqui E = 0, mas 10m ali é 10 V / m, a 20m é 0 novamente e a 30m é -10 V / m ... por exemplo.

Isso é deliberadamente simplificado, mas pensei que o objetivo aqui era dar algumas dicas que permitissem construir uma intuição sobre o assunto.

Se você pudesse, de alguma forma, visualizar os campos elétrico e magnético ao seu redor a qualquer momento, eles seriam muito aleatórios, algo como a superfície do oceano, porque o que você estaria vendo seria a superposição de ondas geradas a partir de muitas fontes diferentes.

Nós tendemos a usar sinusóides para analisar ondas, uma vez que elas têm algumas propriedades matemáticas importantes. Em primeiro lugar, Fourier nos mostrou que qualquer função (e especialmente funções periódicas) pode ser expressa como uma soma de ondas senoidais. Em segundo lugar, usamos equações diferenciais (cálculo) para descrever as propriedades fundamentais dos campos, e a integral ou derivada de um sinusóide é outro sinusóide, o que é muito conveniente.

Aqui está uma visualização razoável das ondas de rádio que se propagam a partir de uma fonte pontual

( fonte )

Tenha em mente que é simplificado.

As ondas reais não desaparecem quando percorrem uma certa distância, mas sua amplitude diminui com a distância.

Além disso, essa visualização faz parecer que cada onda é uma concha fina, mas você deve imaginar que essa superfície representa um pico, e o ponto a meio caminho entre duas "conchas" é um vale.

Eu sempre gostei muito dessa citação de Feynman (Lectures in Physics, vol 2), que expressa o quão estranhas e misteriosas as ondas EM são:

Mas Max Born tem outra coisa a dizer sobre o campo EM que não responder à sua pergunta, eu penso:

Isto é da p. 156 deste livro legal. https://ia600409.us.archive.org/4/items/einsteinstheoryo00born/einsteinstheoryo00born.pdf )

E na página seguinte, Born desenha a onda EM originada de um dipolo:

Aqui está uma resposta muito não técnica e provavelmente fisicamente não exata, mas que pode ajudar alguém que não é tão profundo no assunto a entender melhor (ou seja: explique como se eu tivesse cinco anos)

Eu já vi essa imagem divertida há um tempo atrás, sobre como o WIFI se espalha por toda a casa:

Também está disponível como um gif, mas de alguma forma não consigo inseri-lo aqui: o Wi - Fi se espalha por toda a sala de animação

Wifi são minúsculas Radiowaves (microondas). Assim como as ondas sonoras, aquelas ondas que você não deve imaginar como ondas oceânicas que sobem e descem, mas sim como fragmentos de ar realmente denso e, em seguida, ar muito fino, tão mais como uma onda de impulso do que como uma onda do oceano. Obviamente, no caso de radiação / ondas eletromagnéticas, não é o ar que fica denso, mas o campo eletromagnético é "denso" ou "menos denso".

Portanto, a função sinusal apenas mostra o quão denso o meio é. E esse meio é, no caso das ondas sonoras, o ar, no caso das radiofrequências, o campo eletromagnético. Embora essa última declaração possa não ser 100% fisicamente precisa.

Assim, no final do dia, a função sinusal apenas mostra o quão forte é o campo, ou melhor, que tipo de carga ele tem. Medindo um ponto na sala, traçaremos a carga ao longo do tempo: traçaremos uma carga positiva e traçaremos a linha de volta para uma carga negativa.

Então, para responder à sua pergunta: As funções sin / cos etc. são uma análise dessas ondas de rádio de uma perspectiva (por exemplo, um ponto na sala, e plotamos a carga no eixo y, e o tempo no eixo x). Mas não é como se houvesse feixes de ondas sinusais viajando pela sala, porque a sala é tridimensional e a onda real é melhor descrita como áreas "densas" e áreas menos densas, que pulsam.

O espaço através do qual as ondas viajam não é uma superfície bidimensional, que pode criar ondas como um oceano, mas é tridimensional. Então, em vez de uma superfície do oceano, é mais como várias explosões acontecendo de um ponto, ritmicamente. Assim como na animação nesta resposta, eles viajam pelo espaço como uma esfera, e dentro dessa esfera há outra esfera que se expande na mesma proporção e assim por diante.

Abra a animação e coloque o cursor em um ponto nesta sala. Qual seria a melhor maneira de descrever as mudanças de cor no local onde está o cursor? Uma função do pecado, certo?

Espero que ajude!

Sim, sabemos como eles são. Eles são invisíveis.

Ondas de rádio são distúrbios de propagação automática nos campos E e B. Como não podemos ver os campos E e B, as ondas de rádio são invisíveis.

Se você deseja dobrar um pouco o termo "rádio", pode dizer que um comprimento de onda estreito de cerca de uma oitava, aproximadamente de 350 a 700 nm, é visível ao olho humano, pois esse é o comprimento de onda da luz visível. Ondas de luz e rádio são a mesma coisa, exceto pelo comprimento de onda. Geralmente usamos o termo "ondas de rádio" para nos referirmos a comprimentos de onda muito maiores que a luz visível.

Se você está perguntando qual é a "forma" dos distúrbios do campo E e B, então a resposta é que eles são sinusóides. Isso não significa uma boa linha senoidal subindo e descendo como você encontra em uma ilustração de livro didático. Mas, a magnitude dos campos E e B segue uma forma senoidal à distância e ao longo do tempo.

As ondas de rádio são invisíveis, embora nossa compreensão delas seja muito avançada, e você não deve considerá-las místicas. Observe que os fótons, dependendo do nível de energia, podem ser detectados pelo olho, mas isso não é o mesmo que dizer que podemos vê-los. Fótons são as partículas que transmitem informações visuais aos nossos olhos. Para ver um objeto, um grande número de fótons deve viajar até o olho do observador e focar na retina. Por essa definição, os fótons também são invisíveis, mesmo que os olhos os detectem. Mencionei apenas os fótons porque sei que alguém o mencionará se não o fizer.

Existem várias maneiras de visualizar as ondas de RF, como elas são absorvidas ou refletidas e como elas interferem umas nas outras e assim por diante. Isso pode ajudar muito a entendê-los, mas isso não muda o fato de que as próprias ondas são invisíveis.

Você está entrando nos reinos da mecânica quântica aqui ...

O que é uma onda? O que é uma partícula? Qual é a diferença? Eles são os mesmos?

Para simplificar um pouco, e colocá-lo no contexto da eletrônica, é melhor pensar em uma tensão CA em um fio.

O fio é feito de átomos. Os átomos têm elétrons. Os elétrons são movidos pela tensão para formar a corrente.

Quando a tensão é positiva, eles se movem para um lado e, quando negativos, se movem para o outro. A "onda" é o movimento dos elétrons. Para simplificar ainda mais, imagine que haja apenas um elétron. Você coloca uma tensão CA sinusoidal e esse único elétron se move para frente e para trás em um padrão sinusoidal. Portanto, a "onda", neste caso, é a posição do elétron mapeada contra o tempo.

Agora, quando chegamos às ondas de rádio, temos um jogo totalmente diferente. Estamos muito mais interessados ​​em mecânica quântica, campos etc.

Simplificando, não, você não pode "ver" uma onda. A onda é, se você quiser, uma assinatura de energia. Veja a luz, por exemplo. É uma onda ou é uma partícula? Bem, pode ser pensado como ambos. Como fóton, é um objeto físico que interage com a retina do olho para fazer você ver as coisas. Como uma onda, ela é capaz de dobrar e até se dividir (veja o experimento com fenda dupla ) em duas outras ondas e combinar novamente.

Do ponto de vista das partículas, a frequência pode ser pensada com a rapidez com que essa partícula vibra.

Outro bom olhar é o som. São ondas, mas de um tipo diferente. Mais semelhante ao elétrico CA - os átomos do ar se movendo para trás e para frente no tempo, para uma excitação (alto-falante), que você pode "ver" com um microfone. E isso pode ser visto como composto por ondas senoidais em diferentes combinações.

Então, para responder sua pergunta: faça a Steven Hawking :) e depois vá para os fóruns de física.

Há muitas boas respostas aqui, apenas mais alguns comentários:

As ondas de rádio são governadas pelas equações de Maxwell, que descrevem os campos elétrico e magnético em cada ponto do espaço e do tempo. O espectro das ondas de rádio não se sobrepõe ao dos nossos sentidos (ao contrário, por exemplo, da luz visível ou infravermelho), de modo que não podemos ver as ondas e apenas observá-las por medidas de algum tipo. (Mesmo com luz visível, não observamos diretamente as ondas, mas pelo efeito delas em nossos 'sensores'.)

Os campos elétrico e magnético são vetores variáveis ​​no tempo em cada ponto do espaço; portanto, se pudéssemos vê-los, seriam bestas complicadas. Podemos medir aspectos dos campos usando antenas, sondas de campo etc.

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

As funções sin / cos etc. que você está aprendendo são bidimensionais. As ondas de rádio são tridimensionais; portanto, as ondas senoidais não transmitem grande parte da realidade física. A matemática pode descrever as ondas tridimensionais, mas é necessário o cálculo vetorial (equações de Maxwell), que é muito mais avançado do que o seu conhecimento atual em matemática.

Você continua usando a frase "parece" sobre algo que é invisível aos sentidos humanos.

Então, pergunta: quanta instrumentação posso usar para mostrar essas ondas para você?

Porque sua natureza é realmente a de regiões itinerantes de excitações de campos elétricos e magnéticos e na região de campo distante, no espaço livre ...

• são realmente ondas transversais (ou seja, ambos os campos apontam perpendicularmente à direção da propagação),
• eles realmente têm os componentes elétricos e magnéticos em fase e perpendiculares um ao outro.
• $E(x,t) = \sin(kx - \omega t)$$E(\vec{x},t) = \sin (\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t)$

Eles são representativos da realidade, mas você não pode ver o que parece sem ferramentas.

Saudações a Olli pela melhor resposta. É claro que é possível imaginar "como as ondas de rádio se parecem" - ou melhor - qual é a forma das perturbações do campo elétrico (e / ou magnético) que se propagam no espaço - apesar de não podermos vê-las diretamente. Mas você precisa ter um pouco de conhecimento sobre eles e uma imaginação realmente rica.

Esqueça o quantum e esqueça os fótons. Este não é um nível de física que a maioria possa "imaginar" de maneira perceptiva. Todos aqueles acima mencionados que mencionam sobre fótons simplesmente não entendem a sua pergunta ou não sabem a resposta e escapam dela atravessando a fronteira de algo que está além do escopo atual das pessoas. É assim que falaríamos sobre a forma exata do átomo. Qual é a forma de um único átomo? E qual é a forma de um único próton? As pessoas não têm idéia do que é e provavelmente não é uma bola redonda como nas fotos da escola. Pode-se dizer que, enquanto não soubermos a forma exata do átomo, não entenderemos a correlação entre a onda eletromagnética clássica e as partículas elementares, isto é, fótons, com as quais a física quântica lida.

Então, vamos nos ater à física clássica e à sua compreensão de um fenômeno chamado radiação eletromagnética. Isso é certamente "aceitável", acontece em nossa escala (ondas de rádio comuns têm comprimentos de 1 cm ou mais) e tem sido precisamente mensurável por décadas.

No entanto, para surpreender, imaginar ondas eletromagnéticas, é uma idéia muito boa primeiro 'decifrar' e imaginar a propagação das ondas acústicas. Eles são bastante mais fáceis de entender. Imagine uma única onda sonora (um único pulso dela) como uma bolha esférica redonda de ar altamente comprimido no ambiente do ar natural (normal) e também com o ar 'normal' no centro. Apenas uma "camada" do ar comprimido disposta na bolha esférica. Essa camada não começa tão bruscamente e não termina bruscamente. A transição entre os valores da pressão do ar é suave (como para uma onda :). A camada tem cerca de 34 cm de espessura (para onda de 1kHz), mas como eu disse, ela enfrenta o ambiente suavemente e termina (no lado interno) também suavemente. Seu diâmetro é, digamos, 1 metro. E agora essa bolha está se expandindo no espaço em todas as direções. Isto' está ficando cada vez maior, mas a espessura da camada não muda - são 34 cm constantemente. Apenas o seu diâmetro está crescendo em todas as direções. Sua amplitude (a diferença de pressão do ar) enfraquece gradualmente e, eventualmente, deixa de existir, desaparece. Mas essa era apenas uma única 'camada', um único pulso de uma onda acústica. Agora imagine a mesma bolha crescendo, mas depois disso (exatamente 34 cm mais profunda desta) aparece outra e segue aquela crescendo esfericamente, e outra e outra, para que tenhamos toda a salva delas indo uma após a outra, movendo-se as perturbações seriais da pressão atmosférica através do espaço em todas as direções.

Agora vamos às ondas de rádio. Sua forma e propagação têm realmente a mesma natureza. São as bolhas esféricas (camadas curvas) que se espalham no espaço a partir de sua fonte, uma após a outra. A diferença mais importante das ondas sonoras reside no que realmente são as ondas de rádio (que fenômeno elas carregam). Como dissemos, as ondas sonoras carregam incrementos seriais da pressão do ar. Sua amplitude é a diferença entre os valores da pressão do ar nos picos e nos vales. É isso aí. Ondas eletromagnéticas carregam incrementos de campo elétrico. Uma "camada" (ou pulso) possui uma força ampliada do campo elétrico. Entre esses pulsos, o valor do campo elétrico é igual a zero. Assim, enquanto eles viajam pelo espaço, o campo elétrico apenas alterna entre valor máximo e zero. Max - zero - max - zero - max - zero - e assim por diante.

Além disso, vale acrescentar que o campo elétrico é uma quantidade vetorial. Isso significa que tem sua direção. A direção do campo elétrico, neste caso, é sempre perpendicular à direção de propagação (viagem) das ondas. Então, imaginando um único pulso de onda de rádio como nossa bolha esférica do campo elétrico, uma ação desse campo é realmente direcionada ao longo da superfície da nossa bolha. Em outras palavras, as linhas do campo elétrico são curvas, paralelas à superfície curva da bolha e perpendiculares ao seu raio. Vamos considerar apenas uma única onda de rádio hipotética que viaja horizontalmente. Podemos assumir agora que a direção do campo elétrico é vertical. E agora vem a coisa: a direção do campo elétrico alterna entre pulsos. Para a nossa onda horizontal - o campo no primeiro período sobe verticalmente e no próximo período desce. Então, em uma bolha, ela é direcionada para cima; na próxima, é direcionada para baixo. Ainda os locais entre as bolhas têm valor de campo zero e cada bolha tem um campo direcionado oposto ao campo da bolha adjacente. Podemos resumir como: max - zero - min - zero - max - zero - min - zero. Uma amplitude da onda é a diferença entre a intensidade máxima e mínima (ou como podemos dizer - negativa) do campo elétrico. Lembrando todos os valores intermediários, agora sabemos por que eles a desenham como uma onda senoidal com o eixo horizontal colocado no centro (onde a intensidade do campo é igual a zero). Não importa a direção do campo para cima ou para baixo - ainda é perpendicular ao curso da onda, não é ' não é? E é assim que exatamente o campo elétrico é configurado no espaço entre pulsos subseqüentes de ondas (ou entre bolhas espaciais que crescem uma após a outra).

Mas há ainda outro componente que parece tornar as coisas realmente complicadas - campo magnético. Na verdade, isso não é tão difícil de entender. A atividade do campo magnético cobre as mesmas regiões que o campo elétrico. Eles estão correlacionados em fase. Nos pontos - ou esferas espaciais, na verdade - onde o campo elétrico é zero - o campo magnético também é zero. Nas esferas em que a intensidade do campo elétrico tem seus picos - a intensidade do campo magnético também tem picos. Nas esferas em que o campo elétrico tem seus vales - o campo magnético tem vales. Como você acha que o campo magnético também é uma quantidade vetorial, porque suas linhas de atuação têm direção. A diferença básica é que a direção do campo magnético é perpendicular ao deslocamento da onda e à direção do campo elétrico. Como imaginamos, nossa hipotética onda de rádio horizontal com os picos elétricos verticalmente para cima e as calhas elétricas verticalmente na direção das linhas do campo magnético se estenderiam ao longo da linha da nossa visão. Os picos magnéticos são então direcionados para nós e a calha magnética é direcionada para fora de nós. Se considerarmos uma área mais ampla, as linhas do campo magnético também devem seguir uma curva - ao longo de uma superfície da esfera.

Eu não sei o quanto posso entender do que eu disse :) No entanto, a idéia principal é que sejam bolhas de campo elétrico e magnético ampliado que também alternam sua direção a cada segunda bolha e essas bolhas crescem muito rapidamente. À medida que viajam pelo espaço, aumentando a força do campo elétrico e magnético enfraquece (a amplitude diminui), eles perdem sua energia e, depois de alguma distância percorrida, finalmente desaparecem (o mesmo que as ondas acústicas).

Na realidade, a forma e o layout de todas essas ondas (acústicas e eletromagnéticas) são muito mais complicados devido a coisas como reflexão, interferência, difração e refração. As bolhas refletem de vários objetos, como terra, edifícios, árvores, carros, paredes, móveis e assim por diante. A bolha refletida atinge a direta e afeta a forma e a viagem exata uma da outra, de modo que a topologia resultante das ondas é geralmente muito complexa e imprevisível do ponto de vista perceptivo.

Para completar as diferenças físicas básicas das ondas sonoras que obviamente sabemos é: - elas não precisam de nenhum meio, são auto-propagáveis ​​e podem viajar através do vácuo e de vários materiais; - o comprimento de onda pode variar muito, mas, para o Wi-Fi, é de 9 a 15 cm, é muito próximo do comprimento de onda do som que discutimos; - a frequência é extremamente alta (por exemplo, 100 MHz para rádio FM ou 2,4 GHz para Wi-Fi); - a velocidade da viagem também é extremamente mais rápida (velocidade da luz);

O formato das ondas é esférico e não se parece com o que você vê nos livros didáticos. O que você vê nos livros de texto é apenas uma fatia de toda a onda. É tudo o que você precisa, porque as outras fatias têm as mesmas informações da fatia com a qual você está trabalhando.