Savons-nous à quoi ressemble une onde radio?

Dans la classe précalcul, nous apprenons sur sin / cos / tan / cot / sec / csc et leur amplitude, périodes et changements de phases. J'ai étudié et éteint l'électronique pendant environ un an. Je voudrais savoir si nous savons vraiment à quoi ressemblent les vagues? ressemblent-ils réellement au sinus et aux cosinus comme dans les manuels de mathématiques. Ou ces fonctions d'onde sont-elles simplement des représentations de quelque chose que nous ne pouvons pas voir ne peuvent qu'analyser leurs effets. Et donc quelque chose que nous ne savons pas à quoi ils ressemblent.

S'il vous plaît, expliquez

Je vous remercie

Oubliez les trucs quantiques pendant un moment. Si vous voulez en savoir plus sur l'électrodynamique quantique, lisez QED de Richard Feynman. (Vous devriez le lire de toute façon; c'est peut-être le seul très bon livre de physique pop.)

Classiquement, un champ électromagnétique est un champ de force qui agit sur la charge électrique. Il ne ressemble pas à quelque chose de plus qu'une poussée ou une traction mécanique. L'une des choses sur lesquelles les forces EM peuvent agir est les molécules. Ils peuvent changer la forme des molécules ou (à hautes fréquences) même rompre les liaisons chimiques. C'est ainsi que vous voyez: la lumière stimule une réaction chimique dans les cellules de votre rétine, ce qui déclenche une chaîne de réactions chimiques qui aboutissent à l'activité cérébrale.

Lorsque nous disons qu'une onde radio peut être décrite comme une onde sinusoïdale, nous parlons de la façon dont l'amplitude de l'onde (c'est-à-dire la force de la force) varie dans l'espace et le temps. Les ondes sinusoïdales ont tendance à apparaître beaucoup pour les raisons mentionnées par Dave - ce sont des solutions simples aux équations différentielles du second ordre, et vous pouvez utiliser l'analyse de Fourier pour décrire d'autres signaux en termes de sinusoïdes. Les ondes sinusoïdales sont également utilisées pour parler de son, pour la même raison.

La plupart des ondes radio ne seront pas des sinusoïdes pures, mais beaucoup sont basées sur des sinusoïdes. Par exemple, les amplitudes des ondes radio AM sont des sinusoïdes dont l'amplitude varie lentement. Les amplitudes des ondes radio FM sont des sinusoïdes dont les fréquences varient lentement. Voici une illustration, gracieuseté de Berserkerus sur Wikimedia Commons :

Notez que l'exemple de signal dans cette image est également une onde sinusoïdale. Ce n'est pas un accident. Les ondes sinusoïdales fonctionnent bien comme signaux de test simples. Le rayonnement des lignes électriques serait également assez proche d'une onde sinusoïdale pure.

Si vous voulez visualiser une onde radio, imaginez-vous sous l'eau près d'une plage. Les courants ne sont pas visibles, mais vous pouvez toujours sentir des vagues d'eau en mouvement alors qu'elles vous poussent d'avant en arrière. C'est ce que les ondes radio font aux électrons d'une antenne.

Une onde radio n'est pas comme une chaîne invisible avec une forme sinusoïdale qui se déplace à la vitesse de la lumière.

Une onde radio est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Considérez cela comme une propriété de l'espace. Par exemple, la propriété "couleur" d'une banane est "jaune". La propriété "champ électrique" de cet espace infinitésimal ici est de 10 V / m. Mais là-bas, c'est 20 v / m.

Une onde radio à fréquence fixe pure est la modification sinusoïdale des propriétés "champ électrique" et "champ magnétique" de l'espace le long de l'onde. Dans le temps et dans l'espace.

Si vous prenez un instantané de la situation au temps t = 1 sec par exemple, et imaginez que vous avez un instrument magique capable de mesurer ces "propriétés" par rapport à la distance à l'émetteur.

Maintenant, si vous tracez la valeur mesurée du champ électrique dans un tracé xy où x est la distance à l'émetteur et y la valeur que vous lisez sur votre instrument, vous verrez un sinus, comme celui que vous voyez sur les manuels. Cela signifie simplement qu'ici E = 0 mais 10m là-bas c'est 10 V / m, à 20m c'est encore 0 et à 30m c'est -10 V / m ... par exemple.

C'est délibérément trop simplifié, mais je pensais que le but ici était de donner quelques indices qui permettent de construire une intuition sur le sujet.

Si vous pouviez en quelque sorte visualiser les champs électriques et magnétiques autour de vous à un moment donné, ils seraient très aléatoires, quelque chose comme la surface de l'océan, car ce que vous verriez serait la superposition d'ondes générées à partir de nombreuses sources différentes.

Nous avons tendance à utiliser des sinusoïdes pour analyser les ondes, car elles ont des propriétés mathématiques importantes. Tout d'abord, Fourier nous a montré que toute fonction (et surtout les fonctions périodiques) peut être exprimée comme une somme d'ondes sinusoïdales. Deuxièmement, nous utilisons des équations différentielles (calcul) pour décrire les propriétés fondamentales des champs, et l'intégrale ou la dérivée d'une sinusoïde est une autre sinusoïde, ce qui est très pratique.

Voici une visualisation raisonnable des ondes radio se propageant à partir d'une source ponctuelle

( source )

Gardez à l'esprit que c'est simplifié.

Les ondes réelles ne disparaissent pas lorsqu'elles parcourent une certaine distance, mais leur amplitude diminue avec la distance.

De plus, cette visualisation donne l'impression que chaque vague est une coquille mince, mais vous devez imaginer que cette surface représente un pic, et le point à mi-chemin entre deux «coquilles» est une vallée.

J'ai toujours vraiment aimé cette citation de Feynman (Lectures in Physics, vol 2), qui exprime à quel point les ondes EM sont étranges et mystérieuses:

Mais Max Born a autre chose à dire sur le domaine EM qui répond à votre question, je pense:

C'est de la p. 156 de ce livre cool. https://ia600409.us.archive.org/4/items/einsteinstheoryo00born/einsteinstheoryo00born.pdf )

Et à la page suivante, Born dessine l'onde EM provenant d'un dipôle:

Voici une réponse très non technique, et probablement physiquement pas exacte, mais qui pourrait aider quelqu'un qui n'est pas si profondément dans le problème à mieux le comprendre (aka: l'expliquer comme si j'avais cinq ans)

J'ai vu cette image amusante il y a quelque temps, sur la façon dont le WIFI se propage dans une maison:

Il est également disponible sous forme de gif, mais je ne peux pas l'insérer ici: l' animation Wifi se propage dans toutes les pièces

Le Wifi est de minuscules ondes radio (micro-ondes). Tout comme Soundwaves, ces vagues que vous ne devriez pas imaginer comme des vagues océaniques qui montent et descendent, mais plutôt comme des plaques d'air vraiment dense, puis de l'air très mince, donc plus comme une vague d'impulsion, plutôt qu'une vague océanique. Bien sûr, en cas de rayonnement / ondes électromagnétiques, ce n'est pas l'air qui devient dense, mais le champ électromagnétique est soit "dense" soit "moins dense".

Ainsi, la fonction sinus indique simplement la densité du milieu. Et ce milieu est dans le cas des ondes sonores de l'air, dans le cas des ondes radio du champ électromagnétique. Bien que cette dernière déclaration ne soit pas 100% exacte physiquement.

Donc, à la fin de la journée, la fonction sinus indique simplement la force du champ, ou plutôt le type de charge qu'il a. En mesurant un point dans la pièce, nous tracerons ensuite la charge au fil du temps: nous tracerons vers le haut pour une charge positive, et nous tracerons la ligne vers le bas pour une charge négative.

Donc, pour répondre à votre question: Les fonctions sin / cos, etc. sont une analyse de ces ondes radio d'un point de vue (par exemple, un endroit dans la pièce, et nous traçons la charge sur l'axe y et le temps sur l'axe x). Mais ce n'est pas comme s'il y avait des faisceaux d'ondes sinusales qui traversent la pièce, car la pièce est en 3 dimensions, et l'onde réelle est mieux décrite comme des zones "denses" et des zones moins denses, qui pulsent.

L'espace à travers lequel les vagues se déplacent n'est pas une surface bidimensionnelle, qui peut créer des vagues comme le fait un océan, mais il est tridimensionnel. Ainsi, au lieu d'une surface océanique, cela ressemble plus à plusieurs explosions se produisant à partir d'un même endroit, rythmiquement. Tout comme dans l'animation de cette réponse Ils voyagent dans l'espace comme une sphère, et à l'intérieur de cette sphère se trouve une autre sphère qui se développe au même rythme, et ainsi de suite.

Ouvrez l'animation, puis placez votre curseur sur un point de cette pièce. Quelle serait la meilleure façon de décrire les changements de couleur à l'endroit où se trouve votre curseur? Une fonction Sin, non?

J'espère que cela pourra aider!

Oui, nous savons à quoi ils ressemblent. Ils sont invisibles.

Les ondes radio sont des perturbations auto-propagatives dans le champ E et B. Comme nous ne pouvons pas voir les champs E et B, les ondes radio sont invisibles.

Si vous voulez plier un peu le terme "radio", vous pouvez dire qu'une longueur d'onde étroite d'environ une octave, environ 350 à 700 nm, est visible à l'œil humain, car c'est la longueur d'onde de la lumière visible. La lumière et les ondes radio sont la même chose, à l'exception de leur longueur d'onde. Nous utilisons généralement le terme «ondes radio» pour désigner des longueurs d'onde beaucoup plus longues que la lumière visible.

Si vous demandez quelle est la "forme" des perturbations du champ E et B, alors la réponse est que ce sont des sinusoïdes. Cela ne signifie pas une belle ligne sinusoïdale qui monte et descend comme vous le voyez dans une illustration de manuel. Mais, l'amplitude des champs E et B suit une forme sinusoïdale sur la distance et dans le temps.

Les ondes radio sont invisibles, bien que notre compréhension de celles-ci soit très avancée, et vous ne devez pas les considérer comme mystiques. Veuillez noter que les photons, en fonction de leur niveau d'énergie, peuvent être détectés par l'œil, mais cela ne revient pas à dire que nous pouvons les voir. Les photons sont les particules qui transmettent des informations visuelles à nos yeux. Pour voir un objet, un grand nombre de photons doivent voyager de celui-ci à l'œil de l'observateur et être focalisés sur la rétine. Selon cette définition, les photons sont également invisibles, même si l'œil les détecte. Je ne mentionne que les photons parce que je sais que quelqu'un en parlera si je ne le fais pas.

Il existe différentes façons de visualiser les ondes RF, comment elles sont absorbées ou réfléchies, et comment elles interfèrent entre elles, etc. Ceux-ci peuvent grandement aider à les comprendre, mais cela ne change pas le fait que les vagues elles-mêmes sont invisibles.

Vous entrez dans les domaines de la mécanique quantique ici ...

Qu'est-ce qu'une vague? Qu'est-ce qu'une particule? Quelle est la différence? Sont-ils les mêmes?

Pour simplifier un peu cependant, et le mettre dans le contexte de l'électronique, il est préférable de penser à une tension alternative dans un fil.

Le fil est composé d'atomes. Les atomes ont des électrons. Les électrons sont déplacés par la tension pour former le courant.

Lorsque la tension est positive, ils se déplacent dans un sens et lorsqu'ils sont négatifs, ils se déplacent dans l'autre. L'onde est le mouvement des électrons. Pour simplifier encore plus, imaginez qu'il n'y a qu'un seul électron. Vous mettez une tension alternative sinusoïdale, et cet électron unique se déplacerait en avant et en arrière dans un motif sinusoïdal. Ainsi, la "vague" dans ce cas est la position de cet électron cartographiée en fonction du temps.

Maintenant, quand nous arrivons aux ondes radio, nous avons un tout autre jeu de balle. Nous sommes beaucoup plus dans la mécanique quantique, les domaines, etc.

Autrement dit, non, vous ne pouvez pas "voir" une vague. La vague est, si vous voulez, une signature énergétique. Prenez la lumière, par exemple. Est-ce une vague ou une particule? Eh bien, cela peut être considéré comme les deux. En tant que photon, c'est un objet physique qui interagit avec la rétine de votre œil pour vous faire voir des choses. En tant que vague, elle peut se plier et même se diviser (voir l' expérience de double fente ) en deux autres vagues et se combiner à nouveau.

Du point de vue des particules, la fréquence peut être considérée comme la vitesse à laquelle cette particule vibre.

Un autre bon à regarder est le son. Ce sont des vagues, mais d'un genre différent. Plus proche de l'électricité AC - les atomes de l'air se déplaçant en arrière et en avant dans le temps pour une excitation (haut-parleur), que vous pouvez "voir" avec un microphone. Et cela peut être vu comme étant composé d'ondes sinusoïdales dans différentes combinaisons.

Alors pour répondre à votre question: demandez à Steven Hawking :) puis rendez-vous sur les forums de physique.

Il y a beaucoup de bonnes réponses ici, juste quelques autres commentaires:

Les ondes radio sont régies par les équations de Maxwell qui décrivent les champs électriques et magnétiques à chaque point de l'espace et du temps. Le spectre des ondes radio ne chevauche pas celui de nos sens (contrairement, par exemple, à la lumière visible ou à l'infrarouge), nous ne pouvons donc pas voir les ondes et les observer uniquement par une mesure quelconque. (Même avec la lumière visible, nous n'observons pas directement les ondes, mais par leur effet sur nos 'capteurs'.)

Les champs électriques et magnétiques sont des vecteurs variant dans le temps à chaque point de l'espace, donc même si nous pouvions les voir, ils seraient des bêtes compliquées. Nous pouvons mesurer des aspects des champs à l'aide d'antennes, de sondes de champ, etc.

Les champs réels représentent les impacts combinés de toutes les sources («bruit», autres signaux connus, signaux qui nous intéressent, etc.) et ne sont pas purs $\sin$/$\cos$vagues. Les lois de conservation signifient que les champs sont de nature répétitive et dans de nombreux cas peuvent être traités comme périodiques. Signaux impliquant$\sin$/$\cos$ sont souvent des solutions des équations différentielles sous-jacentes et sont utilisées comme «éléments constitutifs» pour trouver des solutions à des scénarios plus complexes.

Les fonctions sin / cos etc. que vous apprenez sont bidimensionnelles. Les ondes radio sont tridimensionnelles, les ondes sinusoïdales ne véhiculent donc pas une grande partie de la réalité physique. Les mathématiques peuvent décrire les ondes tridimensionnelles, mais il faut du calcul vectoriel (les équations de Maxwell), qui sont beaucoup plus avancées que vos connaissances mathématiques actuelles.

Vous continuez à utiliser l'expression «ressemble» à une chose qui est invisible aux sens humains.

Alors question: combien d'instruments puis-je utiliser pour vous montrer ces ondes?

Parce que leur nature est vraiment celle des régions d'excitation des champs électriques et magnétiques et dans le champ lointain, dans l'espace libre ...

• ce sont vraiment des ondes transversales (c'est-à-dire que les deux champs pointent perpendiculairement à la direction de propagation),
• ils ont vraiment les composants électriques et magnétiques en phase et perpendiculaires entre eux.
• ce sont effectivement des ondes planes, ce qui signifie que la représentation linéaire habituelle qui ressemble à $E(x,t) = \sin(kx - \omega t)$ devrait être $E(\vec{x},t) = \sin (\vec{k}\cdot\vec{x} - \omega t)$.

Ces images sont représentatives de la réalité, mais vous ne pouvez pas voir sans outils.

Salutations à Olli pour la meilleure réponse. Bien sûr, il est possible d'imaginer "à quoi ressemblent les ondes radio" - ou plutôt - quelle est la forme des perturbations du champ électrique (et / ou magnétique) qui se propagent dans l'espace - bien que nous ne puissions pas les voir directement. Mais vous devez avoir un peu de connaissances à leur sujet et une imagination vraiment riche.

Oubliez le quantum et oubliez les photons. Ce n'est pas un niveau de physique que la plupart peuvent «imaginer» de manière perceptuelle. Tous ceux ci-dessus qui mentionnent les photons ne comprennent tout simplement pas que vous remettez en question ou ne connaissent pas la réponse et s'échappent en traversant la frontière de quelque chose qui dépasse la portée actuelle des gens. C'est comme nous parlerions de la forme exacte de l'atome. Quelle est la forme d'un seul atome? Et quelle est la forme d'un seul proton? Les gens n'ont aucune idée de ce que c'est et ce n'est probablement pas une petite balle ronde comme sur les photos de l'école. On peut dire que tant que nous ne connaîtrons pas la forme exacte de l'atome, nous ne comprendrons pas la corrélation entre l'onde électromagnétique classique et les particules élémentaires, c'est-à-dire les photons, que la physique quantique traite.

Restons-en à la physique classique et à sa compréhension d'un phénomène appelé rayonnement électromagnétique. Ceci est à coup sûr "embarquable", se produit dans notre échelle (les ondes radio courantes ont des longueurs de 1 cm et plus) et est mesurable avec précision depuis des décennies.

Cependant, pour surprendre, pour imaginer des ondes électromagnétiques, c'est une très bonne idée de d'abord «déchiffrer» et d'imaginer la propagation des ondes acoustiques. Ils sont assez faciles à comprendre. Imaginez une seule onde sonore (une seule impulsion) comme une bulle sphérique ronde d'air hautement comprimé dans l'environnement de l'air naturel (normal) et aussi avec l'air `` normal '' au centre de celui-ci. Juste une "couche" d'air comprimé disposée dans la bulle sphérique. Cette couche ne commence pas si brusquement et ne se termine pas brusquement. La transition entre les valeurs de pression atmosphérique est douce (comme pour une vague :). La couche a une épaisseur d'environ 34 cm (pour une onde de 1 kHz) mais comme je l'ai dit, elle fait face à l'environnement en douceur et se termine (sur le côté intérieur) également en douceur. Son diamètre est, disons, de 1 mètre. Et maintenant, cette bulle se développe dans l'espace dans toutes les directions. Il' s devient de plus en plus gros, mais l'épaisseur de la couche ne change pas - elle est de 34 cm en permanence. Seul son diamètre augmente dans toutes les directions. Son amplitude (la différence de pression atmosphérique) s'affaiblit progressivement et finit par cesser d'exister, disparaît. Mais ce n'était qu'une seule «couche», une seule impulsion d'une onde acoustique. Imaginez maintenant la même bulle qui grandit, mais après cela (exactement 34 cm plus profondément de celle-ci), elle apparaît une autre et suit celle-ci en grandissant sphériquement, et une autre, et une autre afin que nous ayons la salve entière allant l'une après l'autre, se déplaçant les perturbations de la pression atmosphérique en série à travers l'espace dans toutes les directions.

Passons maintenant aux ondes radio. Leur forme et leur propagation ont en fait la même nature. Ce sont les bulles sphériques (couches courbes) qui se propagent dans l'espace depuis leur source, l'une après l'autre. La différence la plus importante par rapport aux ondes sonores réside dans ce que sont réellement les ondes radio (quel phénomène transportent-elles). Comme nous l'avons dit, les ondes sonores portent des incréments de pression atmosphérique en série. Leur amplitude est la différence entre les valeurs de pression atmosphérique dans les pics et dans les creux. C'est ça. L'onde électromagnétique porte des incréments de champ électrique. Une "couche" (ou impulsion) de celui-ci possède une intensité de champ électrique amplifiée. Entre ces impulsions, la valeur du champ électrique est égale à zéro. Ainsi, alors qu'ils se déplacent dans l'espace, le champ électrique alterne simplement entre la valeur maximale et zéro. Max - zéro - max - zéro - max - zéro - et ainsi de suite.

De plus, il convient d'ajouter que le champ électrique est une quantité vectorielle. Cela signifie qu'il a sa direction. Dans ce cas, la direction du champ électrique est toujours perpendiculaire à la direction de propagation (déplacement) des ondes. Imaginant ainsi une seule impulsion d'onde radio comme notre bulle sphérique du champ électrique, une action de ce champ est en fait dirigée le long de la surface de notre bulle. En d'autres termes, les lignes du champ électrique sont courbes, parallèles à la surface courbe de la bulle et perpendiculaires à son rayon. Prenons une seule onde radio hypothétique qui se déplace horizontalement. Nous pouvons maintenant supposer que la direction du champ électrique est verticale. Et maintenant, c'est la chose - la direction du champ électrique alterne entre les impulsions. Pour notre onde horizontale - le champ dans la première période monte verticalement et dans la suivante il descend. Donc, dans une bulle, elle est dirigée vers le haut, dans la suivante, elle est dirigée vers le bas. Les emplacements entre les bulles ont toujours une valeur de champ nulle et chaque bulle a un champ dirigé à l'opposé du champ de la bulle adjacente. Nous pouvons le résumer comme suit: max - zéro - min - zéro - max - zéro - min - zéro. Une amplitude de l'onde est la différence entre l'intensité maximale et minimale (ou, comme on peut dire - négative) du champ électrique. En nous souvenant de toutes les valeurs intermédiaires, nous savons maintenant pourquoi ils la dessinent comme une onde sinusoïdale avec l'axe horizontal placé au centre (où l'intensité du champ est égale à zéro). Peu importe que la direction du champ soit vers le haut ou vers le bas - elle est toujours perpendiculaire au voyage des vagues, n'est-ce pas? t-il? Et c'est exactement comment le champ électrique s'installe dans l'espace entre les impulsions d'ondes suivantes (ou entre les bulles spatiales qui se développent les unes après les autres).

Mais il y a encore un autre composant qui semble rendre les choses vraiment compliquées - le champ magnétique. En fait, ce n'est pas si difficile à comprendre. L'activité du champ magnétique couvre les mêmes régions que le champ électrique. Ils sont corrélés en phase. Dans les points - ou les sphères spatiales en fait - où le champ électrique est nul - le champ magnétique est également nul. Dans les sphères où l'intensité du champ électrique a ses pics - l'intensité du champ magnétique a également des pics. Dans les sphères où le champ électrique a ses creux - le champ magnétique a des creux. Comme vous le devinez, le champ magnétique est également une quantité vectorielle car ses lignes agissantes ont une direction. La différence fondamentale est que la direction du champ magnétique est perpendiculaire à la fois au déplacement des ondes et à la direction du champ électrique. Comme nous imaginons notre hypothétique onde radio horizontale avec les pics électriques verticalement vers le haut et les creux électriques verticalement vers le bas dans la direction des lignes de champ magnétique se situerait le long de la ligne de notre vue. Les pics magnétiques sont alors dirigés vers nous et les creux magnétiques sont dirigés vers nous. Si nous considérons une zone plus large, les lignes de champ magnétique doivent également suivre une courbe - le long d'une surface de sphère.

Je ne sais pas ce que l'on peut comprendre de ce que j'ai dit :) Cependant l'idée principale est que ce sont des bulles de champ électrique et magnétique agrandi qui alternent également leur direction toutes les deux bulles et ces bulles croissent très rapidement. Alors qu'ils voyagent dans l'espace en augmentant la force du champ électrique et magnétique s'affaiblit (l'amplitude diminue), ils perdent leur énergie et après une certaine distance parcourue, ils disparaissent enfin (comme les ondes acoustiques).

En réalité, la forme et la disposition de toutes ces ondes (acoustiques et électromagnétiques) sont beaucoup plus compliquées à cause de choses comme la réflexion, les interférences, la diffraction et la réfraction. Les bulles se reflètent sur divers objets comme le sol, les bâtiments, les arbres, les voitures, les murs, les meubles, etc. La bulle réfléchie frappe la bulle directe et affecte la forme et le déplacement exact les uns des autres, de sorte que la topologie résultante des vagues est généralement très complexe et imprévisible du point de vue perceptuel.

Pour compléter les différences physiques de base avec les ondes sonores que nous savons évidemment: - elles n'ont pas besoin de support, elles se propagent elles-mêmes et peuvent voyager à travers le vide et de nombreux matériaux divers; - leur longueur d'onde peut varier beaucoup mais pour le Wi-Fi, elle est d'environ 9 à 15 cm, elle est donc assez proche de la longueur d'onde sonore dont nous avons discuté; - leur fréquence est extrêmement élevée (par exemple 100 MHz pour la radio FM ou 2,4 GHz pour le Wi-Fi); - leur vitesse de déplacement est également extrêmement plus rapide (vitesse de la lumière);

La forme des vagues est sphérique, elle ne ressemble pas à ce que vous voyez dans les manuels. Ce que vous voyez dans les manuels n'est qu'une tranche de la vague entière. C'est tout ce dont vous avez besoin car les autres tranches ont les mêmes informations que la tranche avec laquelle vous travaillez.