Radiación de antena

Question

Me confunde algo que he visto discutir pero no con total claridad: tiene que ver con entender el comportamiento de la antena a nivel cuántico porque sí (sí, el enfoque clásico es más fácil pero no es eso lo que me intriga).

Si los fotones sólo se crean por transiciones de energía de los electrones, que siempre dan lugar a emisiones de fotones de muy alta frecuencia, ¿cómo pueden las transiciones atómicas excitadas por una fuente de radio conectada a una antena provocar la emisión de "fotones de radiofrecuencia"? ¿Se trata de un error popular?

Es decir: si el material de la antena es excitado a 100 MHz por una fuente de corriente alterna, los fotones no pueden ser fotones de 100 MHz (E = hv), estarían en el rango multi-THz, dictado por las bandas de energía del material de la antena.

Entonces, ¿esta onda de radio que se propaga debe ser un tren de fotones de alta frecuencia que salen del material de la antena con una intensidad modulada a 100 MHz? Ese tren de intensidad modulada es recibido por absorción de fotones en la antena receptora en especie, dando una corriente de señal de 100 MHz.

¿Correcto? Entonces, ¿por qué hay un montón de literatura que dice que las ondas de radio pueden verse como "fotones de radiofrecuencia"? ¿Está todo mal?

¿Y cómo explica esto exactamente la QED? No he estudiado QED y QM de cerca, vengo de la ingeniería eléctrica y la ingeniería de microondas. ¿Podría compartir una buena conferencia o fuente de lectura? Creo que esto me lleva a estudiar cómo podrían emitirse los fotones en un "paquete" modulado, por así decirlo.

Answer 1

Lo que sigue es una imagen simplificada y, como tal, invito a los expertos y especialistas aquí presentes a ofrecer sus puntos de vista.

Como señala El Fotón, 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 cargado eléctricamente, se propaga un campo electromagnético lejos de ese objeto. Un emisor de radiofrecuencia (lo llamaremos antena) no emite ondas electromagnéticas debido a las transiciones de energía de los electrones a nivel atómico que se producen en su interior. A efectos prácticos, una antena de radiofrecuencia se aproxima convenientemente a un dispositivo de adaptación de impedancias que acopla una fuente de corriente alterna de alta frecuencia y alto voltaje con la impedancia característica del espacio libre.

En el rango de frecuencias 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 tanto, el modelo ondulatorio (a través de las ecuaciones de Maxwell) y no el modelo fotónico. Esto no significa que en principio no se puedan imaginar las ondas de radio como formadas por montones de fotones con energías extremadamente bajas, sólo significa que no tienen para calcular.

A partir de la región de frecuencias infrarrojas ocurre lo contrario: aunque se puede modelizar la radiación IR como si consistiera en ondas, suele ser más conveniente tratarla como si consistiera en fotones (con energías elevadas) y calcularla según las reglas de la QED.

Answer 2

Considere que usted y yo estamos de pie uno frente al otro y ambos sostenemos cargas eléctricas en cantidad suficiente y de polaridad opuesta que se atraen mutuamente debido a la fuerza básica de Coulomb. Permitimos el movimiento arriba-abajo e izquierda-derecha, pero ningún movimiento a lo largo de la línea imaginaria que nos une. Subo mi carga y tu carga la sigue, la bajo y tu carga la sigue. La muevo a mi izquierda y tu carga la sigue a tu derecha.

Si la agito de un lado a otro, su carga también se tambalea de un lado a otro. Yo soy una antena emisora y tú eres una antena receptora. Si muevo mi carga de izquierda a derecha un millón de veces por segundo, tu carga también se bamboleará un millón de veces por segundo y deberíamos poder sintonizarla con una radio AM. Si muevo mi carga de un lado a otro 100 millones de veces por segundo, deberías poder sintonizarla con una radio FM. Si la muevo de un lado a otro 500 billones de veces por segundo, debería verse como un borrón de luz naranja.

Eso es la radiación electromagnética. Si hubiera un astrónomo a igual distancia de nosotros dos y este astrónomo ve mi carga moverse y tu carga moverse después 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 sostenemos 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 $c$ .

Así, en el conductor de su antena, hay carga en la capa exterior de electrones libres de los átomos metálicos. Todas estas cáscaras exteriores con electrones libres sorta comprenden un "común" zona en la que electrones y átomos cambian de pareja sin esfuerzo. Al conectarlo a un transmisor, los electrones que flotan en el "espacio común" se mueven de un lado a otro. Por eso, la antena debe estar a una distancia aproximada de $\frac12$ Lo mismo ocurre con la antena receptora: para ser eficaz, el elemento de antena receptor debe permitir que la carga se desplace hacia delante y hacia atrás a lo largo del elemento en un solo ciclo. Entonces, de forma similar a nosotros, dos personas sosteniendo una carga "libre" en nuestras manos y uno de nosotros conducir de un lado a otro y el otro permitiendo que responda, ese es el mecanismo de cómo las antenas transmiten una onda EM y detectan o reciben esa onda EM.

Answer 3

El problema central de su tratamiento es el siguiente:

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

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

Por lo tanto, si quieres trasladar esto a un formalismo QED (un paso que, en términos generales, es innecesario, ya que los experimentos reales normalmente no serán capaces de discriminar entre las predicciones de la QED y la electrodinámica clásica, pero sigue siendo algo que tenemos que ser able aunque no la utilicemos) entonces las transiciones relevantes son las que se producen entre los distintos estados dentro de la banda. Se trata de 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 longitud de onda central en el rango de radio que se quiera nombrar.

Answer 4

La antena no irradia/transmite ni transforma energía. Sólo dirige la energía. Es todo el sistema, Tx/Tx-Línea/Antena el 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 y a lo largo de la superficie del conductor emisor perfecto y, por tanto, NO irradia energía alguna. 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 son -+ acelerados en todo momento. Como consecuencia de ello, se generan fotones. De acuerdo con el Principio de Mínima Acción [Feynman, Lectures on Physics, Vol-II, Chapter-19], los fotones generados deberían seguir la dirección de menor consumo de energía hacia el espacio circundante [los fotones pierden energía debido a la resistencia del espacio vacío] Esas trayectorias son finalmente loci de los valores del campo EM que emerge de los fotones generados. Y esa es una explicación de la Física clásica.

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

Espero que esto ayude. John