Мы знаем, как выглядит радиоволна?

В предкалькулярном классе мы узнаем о sin / cos / tan / cot / sec / csc и их амплитуде, периодах и фазовых сдвигах. Я изучал электронику около года. Я хотел бы знать, действительно ли мы знаем, как выглядят волны? действительно ли они похожи на синус и косинус, как в учебниках математики. Или эти волновые функции являются просто представлениями того, чего мы не можем видеть, может только анализировать их эффекты. И поэтому что-то мы не знаем, как они выглядят.

Пожалуйста, объясни

Спасибо

Забудьте о квантовом материале на мгновение. Если вы хотите узнать о квантовой электродинамике, прочитайте QED Ричарда Фейнмана. (Вы должны прочитать это в любом случае; это может быть единственная действительно хорошая книга по физике поп-музыки.)

Классически, электромагнитное поле - это силовое поле, которое действует на электрический заряд. Это не похоже на нечто большее, чем механический толчок или толчок. Одна из вещей, на которую могут воздействовать электромагнитные силы, - это молекулы. Они могут изменить форму молекул или (на высоких частотах) даже разорвать химические связи. Вот как вы видите - свет стимулирует химическую реакцию в клетках сетчатки, которая запускает цепочку химических реакций, которые достигают своей мозговой активности.

Когда мы говорим, что радиоволна может быть описана как синусоида, мы говорим о том, как амплитуда волны (то есть сила силы) изменяется в пространстве и времени. Синусоидальные волны часто всплывают по причинам, упомянутым Дейвом, - это простые решения дифференциальных уравнений второго порядка, и вы можете использовать анализ Фурье для описания других сигналов в терминах синусоид. По той же причине синусоиды также используются для разговоров о звуке.

Большинство радиоволн не будут чистыми синусоидами, но многие основаны на синусоидах. Например, амплитуды AM-радиоволн являются синусоидами, амплитуда которых меняется медленно. Амплитуды FM-радиоволн являются синусоидами, частоты которых меняются медленно. Вот иллюстрация, любезно предоставленная Берсеркером на Wikimedia Commons :

Обратите внимание, что пример сигнала на этом изображении также является синусоидальной волной. Это не случайность. Синусоидальные волны хорошо работают как простые тестовые сигналы. Излучение от линий электропередачи также было бы довольно близко к чистой синусоиде.

Если вы хотите визуализировать радиоволны, представьте себя под водой рядом с пляжем. Потоки не видны, но вы все еще можете чувствовать движущиеся волны воды, когда они толкают вас вперед и назад. Вот что радиоволны делают с электронами в антенне.

Радиоволна не похожа на невидимую струну синусоидальной формы, которая движется со скоростью света.

Радиоволна состоит из электрического поля и магнитного поля. Думайте об этом как о свойстве пространства. Например, свойство «цвет» банана - «желтый». Свойство «электрического поля» этого бесконечно малого куска пространства здесь составляет 10 В / м. Но там 20 в / м.

Чистая радиоволна с фиксированной частотой - это синусоидальная модификация свойств «электрического поля» и «магнитного поля» пространства вдоль волны. Во времени и в пространстве.

Например, если вы сделаете снимок ситуации в момент времени t = 1 с и представите, что у вас есть волшебный инструмент, способный измерять эти «свойства» относительно расстояния до передатчика.

Теперь, если вы изобразите измеренное значение электрического поля на графике xy, где x - это расстояние до передатчика, а y - значение, которое вы прочитали на своем приборе, вы увидите синус, такой как тот, который вы видите в учебниках. Это просто означает, что здесь E = 0, но 10 м там - 10 В / м, на 20 м - снова 0, а на 30 м - -10 В / м ... например.

Это намеренно упрощено, но я подумал, что цель здесь состоит в том, чтобы дать некоторые подсказки, которые позволяют построить интуицию по этому вопросу.

Если бы вы могли каким-то образом визуализировать электрические и магнитные поля вокруг вас в любой момент времени, они были бы очень случайными, что-то вроде поверхности океана, потому что то, что вы увидели бы, было бы суперпозицией волн, генерируемых многими различными источниками.

Мы склонны использовать синусоиды для анализа волн, поскольку они обладают некоторыми важными математическими свойствами. Прежде всего, Фурье показал нам, что любая функция (и особенно периодические функции) может быть выражена в виде суммы синусоид. Во-вторых, мы используем дифференциальные уравнения (исчисление) для описания фундаментальных свойств полей, а интеграл или производная синусоиды - это другая синусоида, что очень удобно.

Вот разумная визуализация радиоволн, распространяющихся от точечного источника

( источник )

Имейте в виду, что это упрощено.

Реальные волны не исчезают, когда они проходят определенное расстояние, но их амплитуда уменьшается с расстоянием.

Кроме того, эта визуализация создает впечатление, что каждая волна представляет собой тонкую оболочку, но вы должны представить, что эта поверхность представляет собой пик, а точка на полпути между двумя «оболочками» является долиной.

Мне всегда очень нравилась эта цитата из Фейнмана («Лекции по физике», том 2), которая выражает, насколько странными и таинственными являются электромагнитные волны:

Но Макс Борн есть еще одна вещь , чтобы сказать об электромагнитном поле , которое действительно ответить на ваш вопрос, я думаю:

Это из п. 156 из этой классной книги. https://ia600409.us.archive.org/4/items/einsteinstheoryo00born/einsteinstheoryo00born.pdf )

И на следующей странице Борн рисует электромагнитную волну, исходящую из диполя:

Вот очень нетехнический, и, вероятно, физически не точный ответ, но тот, который может помочь тому, кто не настолько глубоко разбирается в этом вопросе, понять его лучше (иначе: объясните, как будто мне пять лет)

Некоторое время назад я видел эту забавную картину о том, как WIFI распространяется по всему дому:

Он также доступен в формате GIF, но я не могу вставить его здесь: Wi-Fi распространяется по всей комнате.

Wi-Fi крошечные радиоволны (микроволновые печи). Подобно звуковым волнам, эти волны вы не должны представлять себе, как океанские волны, которые поднимаются и опускаются, а скорее как куски действительно плотного воздуха, а затем очень тонкого воздуха, так что больше похоже на импульсную волну, чем на океанскую волну. Конечно, в случае излучения / электромагнитных волн не воздух становится плотным, а электромагнитное поле либо «плотным», либо «менее плотным».

Таким образом, функция синуса просто показывает, насколько плотная среда. И эта среда в случае звуковых волн воздуха, в случае радиоволн электромагнитного поля. Хотя это последнее утверждение не может быть на 100% физически точным.

Таким образом, в конце дня функция синуса просто показывает, насколько сильное поле, или, скорее, какой у него заряд. Измеряя одно пятно в комнате, мы затем построим график заряда с течением времени: мы построим график для положительного заряда и проведем линию вниз для отрицательного заряда.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос: функции sin / cos и т. Д. Представляют собой анализ этих радиоволн с одной точки зрения (например, одно пятно в комнате, и мы наносим заряд на ось у, а время на ось х). Но это не значит, что по комнате проходят лучи синусоидальных волн, потому что комната трехмерная, и настоящая волна лучше описывается как «плотные» области и менее плотные области, которые пульсируют.

Пространство, через которое проходят волны, не является двумерной поверхностью, которая может создавать волны, как океан, но это трехмерное пространство. Таким образом, вместо поверхности океана это больше похоже на несколько взрывов, происходящих из одного места, ритмично. Как в анимации в этом ответе. Они путешествуют через пространство, как сфера, и внутри этой сферы другая сфера расширяется с той же скоростью, и так далее.

Откройте анимацию, затем наведите курсор на одну точку в этой комнате. Как лучше всего описать изменения цвета в том месте, где находится курсор? Син-функция, верно?

Надеюсь, это поможет!

Да, мы знаем, как они выглядят. Они невидимы.

Радиоволны - это самораспространяющиеся возмущения в поле E и B. Поскольку мы не можем видеть поля E и B, радиоволны невидимы.

Если вы хотите немного согнуть термин «радио», то вы можете сказать, что узкая длина волны около одной октавы, примерно 350–700 нм, видна человеческому глазу, поскольку это длина волны видимого света. Свет и радиоволны - это одно и то же, за исключением длины волны. Мы обычно используем термин «радиоволны» для обозначения гораздо более длинных волн, чем видимый свет.

Если вы спрашиваете, какова «форма» возмущений поля E и B, тогда ответ - это синусоиды. Это не означает, что хорошая синусоида идет вверх и вниз, как вы видите в учебнике. Но величина полей E и B повторяет форму синуса на расстоянии и во времени.

Радиоволны невидимы, хотя наше понимание их очень продвинуто, и вы не должны считать их мистическими. Обратите внимание, что фотоны, в зависимости от их уровня энергии, могут быть обнаружены глазом, но это не то же самое, что сказать, что мы можем их видеть. Фотоны - это частицы, которые передают визуальную информацию нашим глазам. Чтобы увидеть объект, большое количество фотонов должно пройти от него к глазу наблюдателя и сфокусироваться на сетчатке. По этому определению фотоны также невидимы, хотя глаз их обнаруживает. Я упоминаю только фотоны, потому что я знаю, что кто-то поднимет их, если я этого не сделаю.

Существуют различные способы визуализации РЧ-волн, как они поглощаются или отражаются, как они мешают друг другу и так далее. Это может очень помочь в их понимании, но это не меняет того факта, что сами волны невидимы.

Вы входите в области квантовой механики здесь ...

Что такое волна? Что такое частица? В чем разница? Они одинаковы?

Чтобы немного упростить это и поместить его в контекст электроники, лучше подумать о переменном напряжении в проводе.

Провод сделан из атомов. У атомов есть электроны. Электроны перемещаются под напряжением, чтобы сформировать ток.

Когда напряжение положительное, они движутся в одну сторону, а когда отрицательное - в другую. «Волна» - это движение электронов. Чтобы упростить это еще больше, представьте, что есть только один электрон. Вы вводите синусоидальное напряжение переменного тока, и этот единственный электрон будет двигаться вперед и назад по синусоидальной схеме. Таким образом, «волна» в этом случае заключается в том, что положение электрона сопоставлено со временем.

Теперь, когда мы подходим к радиоволнам, у нас совершенно другая игра с мячом. Мы гораздо больше увлекаемся квантовой механикой, полями и т. Д.

Проще говоря, нет, вы не можете «видеть» волну. Волна, если хотите, энергетическая подпись. Возьмите свет, например. Это волна или частица? Ну, это можно рассматривать как оба. Как фотон это физический объект, который взаимодействует с сетчаткой вашего глаза, чтобы вы видели вещи. Как волна, она может изгибаться и даже разбиваться (см. Эксперимент с двумя щелями ) на две другие волны и повторно объединяться.

С точки зрения частиц, частоту можно представить как скорость, с которой эта частица вибрирует.

Еще один хороший взгляд на это звук. Это волны, но другого рода. Больше похоже на переменный ток - атомы воздуха движутся назад и вперед во времени к возбуждению (динамику), которое можно «увидеть» с помощью микрофона. И все это можно увидеть из синусоид в разных комбинациях.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос: спросите Стивена Хокинга :), а затем отправляйтесь на форумы по физике.

Здесь много хороших ответов, просто еще несколько комментариев:

Радиоволны регулируются уравнениями Максвелла, которые описывают электрические и магнитные поля в каждой точке пространства и времени. Спектр радиоволн не совпадает со спектром наших чувств (в отличие, например, от видимого или инфракрасного света), поэтому мы не можем видеть волны и только наблюдать их путем какого-либо измерения. (Даже с видимым светом мы не наблюдаем непосредственно за волнами, а влияем на наши «датчики».)

Электрические и магнитные поля - это изменяющиеся во времени векторы в каждой точке пространства, поэтому даже если бы мы могли их видеть, они были бы сложными животными. Мы можем измерить аспекты полей с помощью антенн, полевых датчиков и т. Д.

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

Функции sin / cos и т. Д., О которых вы узнаете, являются двумерными. Радиоволны являются трехмерными, поэтому синусоиды не передают большую часть физической реальности. Математика может описать трехмерные волны, но она требует векторного исчисления (уравнения Максвелла), которые намного более продвинуты, чем ваши нынешние математические знания.

Вы продолжаете использовать фразу «похоже» на то, что невидимо для чувств человека.

Итак, вопрос: сколько инструментов я могу использовать, чтобы показать вам эти волны?

Потому что их природа действительно заключается в перемещении областей возбуждения электрических и магнитных полей и в области дальнего поля, в свободном пространстве ...

• они действительно являются поперечными волнами (то есть оба поля направлены перпендикулярно направлению распространения),
• они действительно имеют электрические и магнитные компоненты в фазе и перпендикулярно друг другу.
• $E(x,t) = \sin(kx - \omega t)$$E(\vec{x},t) = \sin (\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t)$

Они представляют реальность, но вы не можете видеть, кажется, без инструментов.

Привет Олли за лучший ответ. Конечно, можно представить себе, «как выглядят радиоволны» - или, скорее, - какова форма электрических (и / или магнитных) возмущений поля, которые распространяются в пространстве - несмотря на то, что мы не можем видеть их напрямую. Но вам нужно иметь немного знаний о них и по-настоящему богатое воображение.

Забудьте о кванте и забудьте о фотонах. Это не тот уровень физики, который большинство может «представить» в восприятии. Все те, кто выше, кто упоминает о фотонах, просто не понимают вашего вопроса или не знают ответа и выходят из него, пересекая границу чего-то, что выходит за рамки сегодняшних людей. Это как бы говорить о точной форме атома. Какова форма одного атома? А какая форма у одного протона? Люди понятия не имеют, что это такое, и, скорее всего, это не маленький круглый шарик, как на школьных фотографиях. Можно сказать, что пока мы не знаем точную форму атома, мы не поймем корреляции между классической электромагнитной волной и элементарными частицами, то есть фотонами, с которыми имеет дело квантовая физика.

Итак, давайте придерживаться классической физики и ее понимания явления, которое называется электромагнитным излучением. Это, безусловно, «охват», происходит в нашем масштабе (обычные радиоволны имеют длину от 1 см и более) и точно измеряется в течение десятилетий.

Однако, к удивлению, чтобы представить себе электромагнитные волны, очень хорошо сначала «расшифровать» и представить себе распространение акустических волн. Их довольно легко понять. Представьте себе одну звуковую волну (один ее импульс) в виде круглого сферического пузырька сильно сжатого воздуха в среде естественного (нормального) воздуха, а также с "нормальным" воздухом в центре. Всего один «слой» сжатого воздуха, расположенный в сферическом пузыре. Этот слой не начинается так резко и не заканчивается резко. Переход между значениями давления воздуха плавный (как для волны :). Слой имеет толщину около 34 см (для волны 1 кГц), но, как я уже сказал, он гладко обращен к окружающей среде и заканчивается (на внутренней стороне) также гладко. Его диаметр, скажем, 1 метр. И теперь этот пузырь расширяется в пространстве во всех направлениях. Это' Она становится все больше и больше, но толщина слоя не меняется - она ​​составляет 34 см постоянно. Просто его диаметр растет во всех направлениях вокруг. Его амплитуда (перепад давления воздуха) постепенно ослабевает и со временем перестает существовать, исчезает. Но это был только один «слой», один импульс акустической волны. Теперь представьте, как растет тот же самый пузырь, но после этого (ровно на 34 см глубже от этого) появляется еще один, который следует за ним, сферически растя, и еще один, и еще один, так что весь их залп идет один за другим, двигаясь серийные возмущения давления воздуха через пространство во всех направлениях.

Теперь давайте перейдем к радиоволнам. Их форма и распространение имеют фактически одинаковую природу. Это сферические пузырьки (изогнутые слои), которые распространяются в пространстве от их источника, один за другим. Самое важное отличие от звуковых волн заключается в том, что радиоволны на самом деле (какое явление они несут). Как мы уже говорили, звуковые волны несут последовательные приращения давления воздуха. Их амплитуда - это разница между значениями давления воздуха в пиках и впадинах. Вот и все. Электромагнитная волна несет приращения электрического поля. Один его «слой» (или импульс) обладает увеличенной силой электрического поля. Между этими импульсами значение электрического поля равно нулю. Поэтому, пока они движутся по всему пространству, электрическое поле просто чередуется между максимальным значением и нулем. Макс - ноль - макс - ноль - макс - ноль - и так далее.

Кроме того, стоит добавить, что электрическое поле является векторной величиной. Это означает, что у него есть свое направление. Направление электрического поля в этом случае всегда перпендикулярно направлению распространения (перемещения) волн. Таким образом, представляя один импульс радиоволны как наш сферический пузырь электрического поля, действие этого поля фактически направлено вдоль поверхности нашего пузыря. Другими словами, линии электрического поля изогнуты, параллельны изогнутой поверхности пузыря и перпендикулярны его радиусу. Давайте рассмотрим только одну гипотетическую радиоволну, которая распространяется горизонтально. Теперь можно предположить, что направление электрического поля вертикальное. И теперь наступает момент, когда направление электрического поля меняется между импульсами. Для нашей горизонтальной волны - поле в первом периоде идет вертикально вверх, а в следующем - вниз. Таким образом, в одном пузыре он направлен вверх, в следующем - вниз. Тем не менее, места между пузырьками имеют значение поля ноль, и каждый пузырь имеет поле, направленное напротив поля соседнего пузырька. Мы можем кратко это как: макс - ноль - мин - ноль - макс - ноль - мин - ноль. Амплитуда волны - это разница между максимальной и минимальной (или, можно сказать, отрицательной) напряженностью электрического поля. Вспоминая обо всех промежуточных значениях, мы теперь знаем, почему они рисуют его в виде синусоиды с горизонтальной осью, расположенной в центре (где интенсивность поля равна нулю). Независимо от направления поля вверх или вниз - оно все равно перпендикулярно ходу волны, не не так ли? И именно так создается электрическое поле в пространстве между последующими импульсами волн (или между пространственными пузырьками, которые растут один за другим).

Но есть еще один компонент, который, кажется, все усложняет - магнитное поле. На самом деле это не так сложно выяснить. Активность магнитного поля охватывает те же области, что и электрическое поле. Они соотносятся по фазе. В точках - или фактически в пространственных сферах - где электрическое поле равно нулю, магнитное поле также равно нулю. В сферах, где напряженность электрического поля имеет свои пики, напряженность магнитного поля также имеет пики. В сферах, где электрическое поле имеет свои впадины, магнитное поле имеет впадины. Как вы предполагаете, магнитное поле также является векторной величиной, потому что его действующие линии имеют направление. Основное отличие состоит в том, что направление магнитного поля перпендикулярно как распространению волны, так и направлению электрического поля. Поскольку мы представляем, что наша гипотетическая горизонтальная радиоволна с электрическими пиками вертикально вверх и электрическими впадинами вертикально вниз по направлению линий магнитного поля будет лежать вдоль линии нашего взгляда. Магнитные пики затем направлены к нам, а магнитные впадины направлены от нас. Если мы рассмотрим более широкую область, линии магнитного поля также должны идти вдоль кривой - вдоль поверхности сферы.

Я не знаю, как много можно понять из того, что я сказал :) Однако основная идея заключается в том, что это пузырьки с увеличенным электрическим и магнитным полем, которые также меняют свое направление каждый второй пузырь, и эти пузырьки растут очень быстро. По мере того, как они перемещаются в пространстве за счет увеличения силы электрического и магнитного поля, оно ослабевает (амплитуда уменьшается), они теряют свою энергию и после некоторого пройденного расстояния они вообще исчезают (так же, как акустические волны).

В действительности форма и расположение всех этих волн (как акустических, так и электромагнитных) намного сложнее из-за таких вещей, как отражение, интерференция, дифракция и преломление. Пузырьки отражаются от различных объектов, таких как земля, здания, деревья, машины, стены, мебель и так далее. Отраженный пузырь попадает в прямой и влияет на форму и точное перемещение друг друга, поэтому результирующая топология волн обычно очень сложна и непредсказуема с точки зрения восприятия.

Чтобы завершить основные физические различия со звуковыми волнами, которые мы, очевидно, знаем: они не нуждаются в какой-либо среде, они самораспространяются и могут путешествовать как через вакуум, так и через множество различных материалов; - их длина волны может сильно варьироваться, но для Wi-Fi она составляет около 9-15 см, так что это довольно близко к длине волны звука, которую мы обсуждали; - их частота чрезвычайно высока (например, 100 МГц для FM-радио или 2,4 ГГц для Wi-Fi); - их скорость передвижения также чрезвычайно высока (скорость света);

Форма волн сферическая, они не похожи на то, что вы видите в учебниках. То, что вы видите в учебниках, - это всего лишь часть всей волны. Это все, что вам нужно, потому что другие срезы имеют ту же информацию, что и срез, с которым вы работаете.