Чи можна розглядати антени як джерела світла?

Очевидно, що антени - це не що інше, як пристрій для випромінювання електричної енергії за допомогою електромагнітних хвиль.

Оскільки видиме світло також є просто певним діапазоном частот, чи не простіше мислити антени як різні форми "джерел світла"?

Як спрямована антена - це ручний факел, велика потужність означає фари повені?

Чому ми не можемо просто констатувати це в природі частинок, оскільки це буде набагато простіше математично, ніж хвильова теорія?

У деяких випадках ви можете: Якщо у вас є велика спрямована антена, вона може здалеку здалеку просто виглядати як "ліхтарик" для радіохвиль, що генерує промінь. Це руйнується дуже швидко, якщо довжини хвиль не набагато, набагато менші, ніж усі фізичні об'єкти, що взаємодіють з ними.

Ми навіть використовуємо конкретні терміни: якщо довжина хвилі дуже мала в порівнянні з усіма об'єктами, з якими вони зустрічаються, і кілька простих «макроскопічних» формул можуть описати їх поведінку, ми говоримо про оптичне (променеве) поширення . Маючи справу з РФ, ми цього не робимо; РФ не поводиться як світло, і, таким чином, корисності аналогії не існує. Отже, ні, ми не можемо бути «набагато простішими математично», тому що простіша модель того, що ви знаєте як поширення світла, просто не працює¹.

У більшості випадків ви не можете порівнювати антени із джерелами світла.

Перш за все, аналогія з джерелами світла працює не повністю: ваш ліхтарик працює з постійним струмом, що надходить від акумулятора. Ваші хвилі, що виходять, мають частоту понад 10 Гц. В антені метод генерації хвилі покладається на струм, що надходить в антену, яка вже має частоту, що випромінюється, і антена просто виступає в якості компонента імпедансного узгодження між провідником хвилі та вільним простором.

Тоді хвиля, випромінювана антеною, має якийсь фронт хвилі, що передбачає когерентну фазу! У вашої світлодіодної або лампочки зовсім немає цього.

Так, світловий промінь від факела просто фізично дуже відрізняється від променя антени.

Ви праві, антени та джерела світла - рівнозначні конструкції. Але математика джерел світла не така проста, як здається вам здається.

Причина, по якій більшість відповідей на даний момент вважає їх різними, - лише питання масштабу. Хоча ми зазвичай називаємо "радіочастотні" довжини хвиль 1 мм або вище (300 ГГц) та "легкі" довжини хвиль 1 мкм і нижче (300ТГц), з деякими поступками для того, що знаходиться між ними (чи це "низько інфрачервоне світло" або "мікрохвильові пічки" ?) рівняння, що керують їх поведінкою, точно такі ж: Максвелла .

Проблема полягає в тому, що настільки велика різниця масштабів має наслідки, як вони взаємодіють зі світом. Хоча у вас можуть взаємодіяти окремі компоненти, щоб генерувати 1м радіочастотного сигналу, для генерування світлового сигналу 100 нм ви повинні враховувати взаємодію між електронами та їх енергетичними рівнями.

• У той час як 10-метровий високофокусний радіочастотний сигнал поширюватиметься навколо 1 м металевого диска, мабуть, без взаємодії, вузькофокусований 1 мкм світловий промінь буде повністю зупинений у його слідах. У той час як перший буде зупинений сіткою кліткою Фарадея з отворами 10 см, другий пройде безперешкодно. Матеріали, які майже повністю прозорі до одного, повністю зупинять інше і навпаки.

• Хоча вам знадобиться досить масивна антена, щоб сфокусувати 10-сантиметровий радіочастотний промінь, щоб досягти 90% потужності в точці 1 м на відстані 1 км, еквівалентні лінзи для того ж, щоб зробити те ж саме, що має 1 мкм світла, могли поміститися в одній руці.

• Хоча ви можете здебільшого ігнорувати атмосферні ефекти (взаємодія радіочастотної енергії з молекулами повітря) нижче 1 ГГц або близько того, атмосферні умови незабаром переважатимуть над цим і стануть основним ефектом на частотах світла.

• Люди, які розробляють оптичні лінзи, добре знають проблеми, що стосуються широкосмугових сигналів (видиме світло займає цілу октаву від 380 до 740 нанометрів або 430–770 ТГц). Вони еквівалентні проблемам, з якими стикаються дизайнери широкосмугових радіочастот, але широкосмуговий радіочастотний радіочастот рідко охоплює навіть 5% несучої частоти.

Більшість інженерних технологій має справу з моделями, моделями, які значно спрощують проблему, яка існує, і мають діапазон дії (всі моделі неправильні, деякі моделі корисні). Ось чому в нижчих діапазонах РФ ми маємо справу з законами KCL, KVL та Ома в наших схемах, а не намагаємось їх вирішити шляхом прямого застосування рівнянь Максвелла. Але йдіть вище за частотою, і тепер вам доведеться перейти на s-параметри та лінії електропередачі, оскільки дроти перестають вести себе як прості. Перейдіть все вище, в "легку" область, і тепер використовуючи фотони та рівні переходу енергії електронів стає доцільним.

Але всі ці моделі - це лише спрощення рівнянь Максвелла з їх вузькою областю застосування . Але знаючи це і коли моделі виходять з ладу, може допомогти покращити нашу інтуїцію дизайну.

По-перше, "світло" самостійно зазвичай означає "видиме світло". Антени не випромінюють видимого світла.

Ми можемо правильніше сказати, що світло - це ЕМ-випромінювання, а антени випромінюють ЕМ-випромінювання.

Чому ми не можемо просто констатувати це у природі частинок, оскільки це буде набагато простіше математично

Є це? Ви не цитували жодної математики у своєму дописі. І для більшості цілей хвильовий малюнок - це те, що ми хочемо; це говорить нам, де радіохвилі можна отримати найсильніше. Для більшості частот зв'язку радіохвилі не є "світловими" "променями", вони сильно розсіюються.

У деяких випадках можна. І, безумовно, у нашому світі метрів світло може бути дуже надійно наближеним до променя. Але так може виникнути хвиля ЕМ в масштабах 1000000000 з об'єктами, які знаходяться лише у багатьох тисячах кілометрів.

Але життя оптики в нашому світі виглядає просто. Коли нам доводиться мати справу зі світлом, що поширюється через мікрометричні структури, масиви чи провідники, наближення променів не приносить користі. (Плазмоніка Google, фотоніка або фотонні кристали тощо. Вони використовують режими, резонанси, більш максвеллівські рівняння.) Так само, як і їй не вистачає сил для точного пояснення явищ РФ у нашому світі.

Чому ми не можемо просто констатувати це в природі частинок, оскільки це буде набагато простіше математично, ніж хвильова теорія?

Коли ми кажемо, що фотон є "частинкою" світлової енергії, ми маємо на увазі, що лише електронні магнітні поля можуть бути поглинені з електромагнітного поля.

Але ці частинки не рухаються за правилами балістики, що застосовуються до куль або більярдних куль. Вони рухаються за хвильовим рівнянням, яке по суті є таким же, як хвильове рівняння, яке описує класичне електромагнітне поширення.

Тож тут немає безкоштовного обіду. Електромагнітні «частинки» так само математично складні, як і хвилі, які їх замінюють.

Антени можна розглядати як джерело світла, але воно випромінює по-іншому. Якщо ви розглядаєте звичайну радіочастотну антену, вони не випромінюють видиме світло, яке несе інформацію, оскільки світло має набагато більшу частоту, ніж резонансна частота антени. Типова радіочастотна антена (3 КГц і 300 ГГц) просто занадто велика, щоб ефективно випромінювати видиме світло (430–770 ТГц) через невідповідність цього розміру. Але це можливо з деякими антенами, такими як плазмонічні наноантени. З кількох пристроїв, які контрольовано випромінюють видиме світло, плазмонічні наноантени є найбільш близькими до традиційних радіоантен.