¿Cómo se producen exactamente las ondas de radio a partir de una corriente en un circuito?

No te preocupes por los fotones a menos que quieras aventurarte en la física cuántica. Un fotón es el cuanto de la radiación electromagnética, que también es una onda. Todavía tengo que encontrar una aplicación en ingeniería de RF donde los efectos cuánticos sean relevantes.

En todos los circuitos electrónicos, hay dos campos: uno eléctrico y otro magnético. El campo eléctrico está asociado con voltajes, y el magnético con corrientes.

Tenemos componentes que producen fuertes campos eléctricos: condensadores.

También tenemos componentes que producen campos magnéticos fuertes: inductores.

En cada uno de estos componentes, pensamos en un tipo de campo como dominante. Pero considere lo que sucede si cambiamos rápidamente el campo magnético a través de un inductor, por ejemplo, al pasar un fuerte imán permanente a través de él: existirá un voltaje entre los terminales del inductor. Este voltaje es un campo eléctrico. Llamamos a esto Ley de inducción de Faraday .

Una cosa similar le puede pasar a un condensador. Para cambiar el campo eléctrico, debe haber una corriente. O si logra cambiar el campo eléctrico, encontrará una corriente en algún lugar. Manipular el campo eléctrico dentro de un capacitor es bastante más difícil que dejar caer un imán a través de una bobina, pero si puedes construir un aparato experimental apropiado, encontrarás que esto es cierto.

Por lo tanto, un campo eléctrico cambiante puede crear un campo magnético. Un campo magnético cambiante puede crear un campo eléctrico.

La radiación electromagnética es estos dos campos que se crean en el espacio libre. El campo eléctrico cambia, creando un cambio en el campo magnético justo frente a él, creando un cambio en el campo eléctrico justo enfrente ...

Paraqueestoscamposseirradienenunespaciolibrecomoeste,debecrearambos,enfase,perpendicularesentresí.Porestarazón,uncapacitornoesunabuenaantena:creauncampoeléctricofuerte,peroelcampomagnéticoesrelativamentepequeño.Seirradiaunpoco,peroprincipalmentelaenergíaseatascaenelcampoeléctrico,incapazdeirradiarseporquenotieneuncampomagnéticoqueloalejedelcapacitor.Lomismopuededecirsedeuninductor,concorrienteyvoltaje,magnéticoyeléctricointercambiados.Consulte ¿Por qué un inductor no es una buena antena?

Las antenas son solo inductores o condensadores con fugas. Muchas antenas son iguales al mismo tiempo, de modo que su impedancia es puramente resistiva a la frecuencia de diseño, en lugar de inductiva o capacitiva. A través de la geometría inteligente, crean campos magnéticos y eléctricos perpendiculares y en fase, que luego irradian.

    

Las ondas de radio se producen cuando el campo eléctrico cambia rápidamente: tiene que haber una corriente alterna.

Un campo eléctrico se extiende hacia el espacio. Cuando cambias un campo eléctrico, sus partes distantes no cambian instantáneamente. El cambio está limitado por la velocidad de la luz. Si fluctúa el campo eléctrico, por lo tanto, crea una onda.

Puedes pensar que es un espacio que está permeado en todas partes por un campo eléctrico; su circuito simplemente crea una perturbación en él, como molestar la superficie del agua. La perturbación se aleja a la velocidad de la luz, como las ondas en un estanque. Si su circuito solo tiene un flujo continuo de CC a través de él, la perturbación ocurre justo cuando lo enciende y cuando lo apaga.

(De hecho, el equipo eléctrico causa interferencia cuando se enciende y apaga: relés, interruptores, la conmutación de los cepillos del motor eléctrico o cualquier cosa que genere chispas: todos irradian y pueden interferir con la comunicación por radio o con equipos sensibles). / p>

Los circuitos de transmisión de radio están optimizados para la radiación; deliberadamente hacen cosas que los diseñadores intentan evitar en circuitos que deben minimizar su radiación (que es la mayoría de los circuitos). Los transmisores amplifican algunos AC de alta frecuencia y activan una antena .

Hay muchos tipos de antenas y cómo funcionan todas es un gran tema. Un ejemplo de una antena es simplemente un dipolo de media longitud de onda: dos conductores largos apuntando en direcciones opuestas, cada uno de un cuarto de longitud de onda largo.

    

Las ondas de radio no se explicaron hasta que James Clerk Maxwell describió la electricidad y el magnetismo con lo que ahora se llaman las ecuaciones de Maxwell. Usan una forma de cálculo vectorial y están lejos de ser simples. Para su pregunta, se reduce a la aceleración. Una corriente que fluye no produce radio. Los electrones tienen que acelerar, como ir y venir. Los electrones se mueven a través de los cables muy lentamente, pero puede agitarlos muy rápidamente en distancias muy cortas con un campo eléctrico alternativo, aplicando CA al cable. Los electrones están invirtiendo la dirección y se irradiarán. Un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético y un campo magnético cambiante produce un campo eléctrico. Algo así como si los campos eléctrico y magnético se desprendieran del cable y se alejaran a la velocidad de la luz.

También puede obtener una aceleración si va en un círculo (cambiando de dirección en general) y hay transmisores que funcionan de esa manera. No con un cable en círculo, con electrones en el vacío que van muy rápido en un círculo desde un campo magnético fuerte. Hay imanes agradables que hacen este trabajo en circuitos de hornos microondas más antiguos. Buscar "magnetrón".

La forma sencilla de demostrar la radio es duplicar los experimentos originales con un transmisor de chispa y un bucle de cable con una pequeña separación para ver una chispa de la potencia recibida. Haga una búsqueda en las brechas de chispa y las ondas de radio. Si haces uno, ten en cuenta que la gente recogerá tus experimentos en radios de AM en todas las direcciones.

Un hecho sorprendente de la naturaleza es revelado por las ecuaciones de Maxwell y es lo que hace que la radio sea útil para la comunicación a larga distancia. Esperamos que cualquier cosa que irradie en todas las direcciones tenga una potencia (intensidad) que caiga con el cuadrado de la distancia, como en 1 / (r ^ 2). Si la detección de la radio se basara en esto, sería casi inútil. Pero, a medida que la potencia cae con el cuadrado, la amplitud es proporcional al cuadrado de la potencia y cae como 1 / r. Y es la amplitud del campo que detectamos en la radio (o el movimiento inducido en electrones en una antena de cable). Si se encuentra a 1 km de un transmisor y va a un punto a 100 km de distancia, la amplitud de la señal es tan fuerte como 1/100, lo que puede manejar fácilmente un amplificador de valor. Si la radio estuviera basada en la potencia, el valor sería 1/10000. Puedes imaginar el problema enviando señales de 5000 km (1 / 25,000,000) o a la Luna si dependiéramos de la amplitud.

Yo ignoraría los fotones. A diferencia de la radio, un fotón tiene una energía determinada por la frecuencia y usted no necesita la mecánica cuántica para la radio.

    

La potencia de la señal disminuye como una función cuadrada para los campos E porque el área cubierta por la señal emitida aumenta como un cuadrado de la distancia, el radio.

El punto sobre los fotones, creo ... La clave es que los fotones son cuantos a una frecuencia clasificada en luz, donde las ondas de radio son cuantos a una frecuencia debajo de la luz. Pero realmente no lo sé. ¿Dónde está Richard Feynman cuando lo necesitas ...