As antenas podem ser vistas como fontes de luz?

Claramente, as antenas nada mais são do que um dispositivo para irradiar a energia elétrica através de ondas eletromagnéticas.

Como a luz visível também é simplesmente uma certa faixa de frequências, não é mais fácil pensar em antenas como formas diferentes de fontes de "luz"?

Como antena direcional é uma lanterna de mão, alta potência significa luzes de inundação?

Por que não podemos simplesmente declarar isso na natureza das partículas, pois será muito mais simples matematicamente do que a teoria das ondas?

Em alguns casos, você pode: Se você possui uma antena direcional grande, ela pode, de muito longe, simplesmente parecer uma "lanterna" geradora de feixe para ondas de rádio. Isso se decompõe muito rapidamente se os comprimentos de onda não forem muito, muito menores do que todos os objetos físicos que interagem com eles.

Nós até usamos termos específicos: se os comprimentos de onda são muito pequenos em comparação com todos os objetos que eles encontram e algumas fórmulas "macroscópicas" simples podem descrever seu comportamento, falamos de propagação óptica (raio) . Ao lidar com RF, nós não; O RF não se comporta como a luz e, portanto, a utilidade da analogia não existe. Portanto, não, não podemos ser "muito mais simples matematicamente", porque o modelo mais fácil do que você conhece como propagação de luz simplesmente não funciona¹.

Na maioria dos casos, você não pode comparar antenas com fontes de luz.

Primeiro de tudo, a analogia com as fontes de luz não funciona totalmente: sua lanterna funciona com corrente contínua proveniente de uma bateria. Suas ondas que saem têm frequências acima de 10¹⁵ Hz. Em uma antena, o método de geração da onda depende da corrente que entra na antena já com a frequência a ser emitida, e a antena apenas atua como um componente de correspondência de impedância entre o condutor da onda e o espaço livre.

Então, a onda emitida por uma antena possui algum tipo de frente de onda, o que implica uma fase coerente! Seu LED ou lâmpada não possui isso.

Assim, o feixe de luz de uma tocha é simplesmente fisicamente muito diferente do feixe de uma antena.

Você está certo, antenas e fontes de luz são construções equivalentes. Mas a matemática das fontes de luz não é tão simples quanto você pensa.

A razão pela qual a maioria das respostas até agora as vê como diferentes é apenas uma questão de escala. Embora normalmente denominássemos comprimentos de onda "RF" de 1 mm ou acima (300 GHz) e comprimentos de onda "leves" de 1 µm e abaixo (300THz), com alguma concessão para o que está no meio (é "luz de infravermelho baixo" ou "microondas" ?), as equações que governam seu comportamento são exatamente as mesmas: as de Maxwell .

O problema é que essa grande diferença de escalas tem consequências em como elas interagem com o mundo. Embora você possa ter componentes discretos interagindo para gerar um sinal de RF de 1m, para gerar um sinal de luz de 100nm, é necessário considerar a interação entre os elétrons e seus níveis de energia.

• Enquanto um sinal de RF de 10m de foco estreito se propaga em torno de um disco de metal de 1m sem aparentemente interação, um feixe de luz de 1µm de foco estreito será completamente interrompido em suas trilhas. Enquanto o primeiro seria parado por uma gaiola de Faraday de malha com aberturas de 10 cm, o segundo passará desimpedido. Materiais quase completamente transparentes para um pararão completamente o outro e vice-versa.

• Embora você precise de uma antena bastante grande para focar um feixe de RF de 10 cm para obter 90% de potência em um ponto de 1 m a 1 km, as lentes equivalentes para fazer o mesmo com luz de 1 µm podem caber em uma mão.

• Embora você possa ignorar principalmente os efeitos atmosféricos (a interação da energia de RF com as moléculas de ar) abaixo de 1 GHz, as condições atmosféricas logo dominam acima disso e se tornarão o principal efeito nas frequências de luz.

• As pessoas que projetam lentes ópticas estão bem cientes dos problemas que lidam com os sinais de banda larga (a luz visível ocupa uma oitava inteira de 380 a 740 nanômetros ou 430-770 THz). Isso é equivalente aos problemas que os designers de banda larga de RF enfrentam, mas a RF de banda larga raramente abrange até 5% da frequência da operadora.

A maior parte da engenharia lida com modelos, modelos que simplificam consideravelmente o problema em questão e têm uma gama de validade (todos os modelos estão errados, alguns modelos são úteis). É por isso que nas faixas mais baixas de RF lidamos com as leis de KCL, KVL e Ohm em nossos circuitos, em vez de tentar resolvê-las pela aplicação direta das equações de Maxwell. Mas vá mais alto na frequência e agora você precisa mudar para os parâmetros s e as linhas de transmissão, pois os fios param de se comportar como meros fios. Vá mais alto ainda, para o domínio "luz", e agora é recomendável o uso de fótons e níveis de transição de energia eletrônica.

Mas todos esses modelos são apenas simplificações das equações de Maxwell com seu domínio restrito de aplicabilidade . Mas saber disso e de onde os modelos falham pode ajudar a estimular a nossa intuição de design.

Em primeiro lugar, "luz" por si só geralmente significa "luz visível". As antenas não emitem luz visível.

Podemos dizer mais corretamente que a luz é radiação EM e as antenas emitem radiação EM.

Por que não podemos simplesmente declarar isso na natureza das partículas, pois será muito mais simples matematicamente

É isso? Você não citou nenhuma matemática na sua postagem. E para a maioria dos propósitos, o padrão de onda é o que queremos; nos diz onde as ondas de rádio podem ser recebidas mais fortemente. Para a maioria das frequências de comunicação, ondas de rádio não são um "feixe" semelhante à luz, elas difratam muito.

Em alguns casos, pode-se. E, certamente, em nosso mundo de metros, a luz pode ser aproximada com muita confiabilidade como um raio. Mas o mesmo pode acontecer com uma onda EM na escala de 1000000000, com objetos que estão apenas em muitos milhares de quilômetros.

Mas, a vida parece simples para a óptica em nosso mundo. Quando temos que lidar com a propagação da luz através de estruturas, matrizes ou condutores do tamanho de micrômetros, a aproximação do raio é inútil. (Google plasmônica, fotônica ou cristais fotônicos, etc. Eles usam modos, ressonâncias, mais equações de Maxwell). Assim como não possui o poder de explicar com precisão os fenômenos de RF em nosso mundo.

Por que não podemos simplesmente declarar isso na natureza das partículas, pois será muito mais simples matematicamente do que a teoria das ondas?

Quando dizemos que um fóton é uma "partícula" de energia luminosa, queremos dizer que apenas quantidades discretas de energia podem ser absorvidas ou emitidas no campo eletromagnético.

Mas essas partículas não se movem de acordo com as regras da balística que se aplicam a balas ou bolas de bilhar. Eles se movem de acordo com uma equação de onda que é essencialmente a mesma que a equação de onda que descreve a propagação eletromagnética clássica.

Portanto, não há almoço grátis aqui. As "partículas" eletromagnéticas são tão matematicamente complexas quanto as ondas que substituem.

As antenas podem ser tratadas como uma fonte de luz, mas são emitidas de maneira diferente. Se você está considerando uma antena de RF normal, eles não irradiam luz visível que transporta informações porque a luz tem uma frequência muito maior do que a frequência de ressonância da antena. Uma antena de RF típica (3 KHz e 300 GHz) é simplesmente muito grande para emitir luz visível com eficiência (430–770 THz) devido a essa incompatibilidade de tamanho. Mas é possível com algumas antenas como as nanoantenas plasmônicas. De vários dispositivos que emitem luz visível de maneira controlada, as nanoantenas plasmônicas são as mais próximas das antenas de rádio tradicionais.