Abfolge von E- und B-Feld in Radiowellen und in einzelnen Photonen

In der Antennentechnik unterscheidet man zwischen Nahfeld und Weitfeld. Im Nahfeld sind das elektrische und das magnetische Feld um 90° verschoben. Wenn Sie genauer hinschauen, sehen Sie, dass es zwei Möglichkeiten dieser Verschiebung gibt, 90° und -90°.

Um es zu erklären, müssen Sie sich daran erinnern, was diese 90° bedeuten. Die X-Achse des Koordinatensystems sei (im Vakuum) parallel zum E-Feld, die Y-Achse parallel zum B-Feld und die Z-Achse parallel zu c * t . Bei Z gleich Null sei das E-Feld maximal und in X-Richtung gerichtet. Das B-Feld ist Null.

90° später (in Bezug auf E = E(max) * cos α und B = B(max) * sin α) und dies ist ein Viertel der Wellenlänge, die das B-Feld nach links oder nach rechts richten kann. Und das ist natürlich, weil B = B(max) * - cos α der zweite mögliche Zustand der Nahfeld-Funkwellen ist.

Unabhängig vom Ansatz, Radiowellen als eine elektromagnetische Welle zu sehen (statistische Methode), ist es offensichtlich, dass alle Radiowellen aus Photonen bestehen, die während der Elektronenbeschleunigung im Antennenstab emittiert werden.

Meine Frage ist, haben diese Photonen alle die gleiche Abfolge der E- und B-Felder? Die gleiche Frage stellt sich für Quantenpunkte, die einzelne Photonen erzeugen.

Bearbeiten: Es muss eine Regel für die rechte oder linke Hand geben, denn wenn die Hälfte der Photonen ein B-Feld mit 90 ° zu E und die andere Hälfte -90 ° haben, gäbe es überhaupt kein Magnetfeld.

Update: Ich verstehe. Es ist die Regel des rechten Handgriffs (herkömmliche Stromrichtung), da es keinen prinzipiellen Unterschied zu einem geraden Draht gibt.

Die Regel für den rechten Griff gilt nicht für Wellen.

Antworten (5)

Sie stellen eine klassische Frage zum Elektromagnetismus. Sie profitieren nicht davon, über Photonen nachzudenken.

Wenn das elektromagnetische Feld der Antenne (berechnet aus den Maxwell-Gleichungen) an einem bestimmten Punkt rechtszirkular polarisiert ist, dann kann man sagen, dass jedes Photon rechtszirkular polarisiert ist. Wenn das Feld linear polarisiert ist, dann kann man sagen, dass jedes Photon linear polarisiert ist. Nur in gemischten Zuständen (wie unpolarisiertem Licht) muss man sagen, dass verschiedene Photonen unterschiedliche Eigenschaften haben, oder besser gesagt, die Photonen mit Dichtematrizen beschreiben. Bei einer klassischen Antenne ist dies in der Regel nicht relevant.

Etwas anderes:

Wenn Sie eine normale Antenne haben und die Leistung niedriger, niedriger, niedriger verringern, bis sie so schwach ist, dass im Durchschnitt nur ein Photon pro Sekunde emittiert wird ... Nichts ändert sich wirklich!

Zur Beschreibung des (Erwartungswerts) elektrischer und magnetischer Felder kann man immer noch den klassischen Elektromagnetismus verwenden. Sie werden nicht anders sein, nur schwächer. Es gibt keine Linie, die Sie überschreiten, wo Felder zu schwach werden, um den klassischen Elektromagnetismus zu nutzen.

Denken Sie daran, dass Photonen nicht miteinander interagieren! Es spielt also keine Rolle, ob eine Antenne eine Milliarde Photonen pro Sekunde oder ein Photon pro Sekunde aussendet.

Kurze Antwort: ja.

In Bezug auf Quantenfelder kann man sich die mit ihnen verbundenen "Teilchen" als eine Art Mindestwährung für den Austausch vorstellen, dh um eine Wechselwirkung zu übertragen, kann dies nur in diskreten Einheiten erfolgen. Aber wie eine Währung ist es immer noch eine Art Währung, also repräsentiert ein Photon die Wechselwirkungseinheit des Feldes, aus dem es kommt. Unterschiedliche Anordnungen von EM-Feldern "tauschen" Photonen mit unterschiedlichen Eigenschaften aus - wenn Sie in US-Dollar oder japanischen Yen bezahlen, tauschen Sie verschiedene Arten von Währungen aus.

Ich weiß, dass es etwas schwierig zu verstehen ist, da das Thema ein ziemlich komplexer Teil der Quantenfeldtheorie (QFT) ist. Ein paar sehr gute Lehrbücher, die ich empfehlen und als Referenz zitieren kann, sind Peskin & Schroeder, "An Introduction to Quantum Field Theory", West View Press, 1995, ISBN-13: 978-0201503975, und Greiner & Reinhardt, "Field Quantisierung", Springer-Verlag, 1996, ISBN-13: 978-3540780489. Für den gebildeten Laien empfehle ich außerdem Richard Feynman, „QED: The strange theory of light and matter“, Princeton University Press, ISBN 0-691-08388-6.

Ich hoffe, dies ist als Antwort zumindest teilweise hilfreich, und ich kann auf Wunsch mehr erläutern - obwohl die gesamte mathematische Maschinerie von QFT ziemlich ausgefeilt sein kann und ich Ihren Hintergrund nicht genau kenne, weiß ich nicht, wo ich anfangen soll dieser Moment

Ok, fangen wir mit den ersten beiden Sätzen an. Haben sie Recht?
Die „frivolen“ Informationen, die herausgeschnitten wurden, betrafen die „persönliche Erfahrung“, die ursprünglich in der Frage angefordert wurde, so dass sie zu diesem Zeitpunkt relevant erschien. Entschuldigung ... In Bezug auf einige andere Antworten: Ich stimme zu, dass es für eine klassische E & M-Frage übertrieben sein kann, nicht "vom Nachdenken über Photonen zu profitieren", aber eine Erklärung mit Photonen sollte dennoch in den Rahmen des klassischen E & M passen. Natürlich gibt es viele Möglichkeiten der Basis für die Quantenzustände von Photonen. Kohärente oder Wellenzahlzustände sind zwei; aber die tatsächlichen Felder sollten eine Überlagerung dieser "Basisphotonen" sein.

Photonen, wie sie von QED (Quantenelektrodynamik) beschrieben werden, basieren auf Wellenlösungen von Maxwells-Gleichungen im freien Raum (keine Ladungen, keine Ströme). In der Antennentheorie können diese als Fernfeldlösung bezeichnet werden.

Mathematisch bilden sie jedoch einen vollständigen Satz von Lösungen für Maxwells-Gleichungen. Dies impliziert, dass wir durch Linearkombinationen der Wellenlösungen beliebige Freifeldlösungen erzeugen können, also auch Nahfeldlösungen. Zum Beispiel das Magnetfeld eines magnetischen Dipols.

Komplikationen:

  • In der QED wird das Photon mit dem Vektorpotential A und dem Skalarpotential V (oder besser gesagt dem 4-Vektorpotential) formuliert.
  • In der QED werden die komplexen Lösungen benötigt, um ein Photon mit einem bestimmten Impuls zu beschreiben P = ℏ k , Wo k ist die Wellenzahl.
  • Ein einzelnes Photon hat eine feste räumliche Form seines 4-Vektor-Potentials, aber die Amplitude hat eine Werteverteilung wie die des quantenmechanischen Oszillators. Ein Zustand mit fester Amplitude besteht aus einer Linearkombination aller Photonenzahlen von null bis unendlich.

EDIT: Ich glaube jetzt verstehe ich deine Frage! Sie interessieren sich für den Fernzonenbereich. Sie müssen versuchen, die EM-Wellen aus Maxwells Gleichungen zu verstehen. Für eine positive Welle z -Richtung, die Felder sind verwandt als

k z ^ × E = ω B , z ^ ⋅ E = 0
Wo k ist die Wellenzahl und ω ist die Winkelfrequenz. Der B -Feld zeigt in die entgegengesetzte Richtung, wenn die Welle in die entgegengesetzte Richtung läuft.

Lassen Sie uns die ersten beiden Sätze besprechen. Haben sie Recht?
Maxwells Gleichungen im freien Raum sind nur Wellengleichungen. Eine Wellengleichung kann als eine Gleichung für einen Satz gekoppelter harmonischer Oszillatoren angesehen werden. Sowohl in der klassischen als auch in der Quantenbeschreibung wird dieselbe Transformation das System in entkoppelte harmonische Schwingungen bringen. Für Wellen in einem endlichen Volumen sind die neuen Koordinaten die Amplituden der stehenden Wellen.
Der Stehwellenmodus gibt an, wie die einzelnen Oszillatoren zusammen schwingen. Was ich zu beschreiben versucht habe, ist die Normalmodustheorie.
@HolgerFiedler Ja, ein einzelnes Photon ist der erste angeregte Zustand eines Normalmodusoszillators der elektromagnetischen Felder. (F.Mandl, G.Shaw, Quantum Field Theory, John Wiley and Sons) Fernzonenfeld von einer Antenne kann sein verschiedene Arten je nach Form der Antenne, zum Beispiel elektrischer Dipol. Tatsächlich gibt es eine unendliche Reihe verschiedener elektrischer und magnetischer Multipolmuster, die mögliche Fernzonenfelder sind. Die gleichen Multipole sind bei der Photonenemission möglich, siehe z. B. A.Bohr, B.Mottelson, Nuclear Structure vol I.
Wir sind uns einig, dass die beiden ersten Sätze richtig sind. Was hat es mit dem dritten Satz auf sich mit den beiden möglichen Verschiebungen von +90° und -90° von einem der Felder zum anderen? Siehe dieses und jenes Bild.
@HolgerFiedler Oh, ich dachte, du hättest die beiden ersten Sätze meiner Antwort erwähnt. Ich kann nicht gut genug verstehen, was Sie in Ihrer Frage geschrieben haben, um sie so ausführlich zu erörtern. Mein Punkt war eigentlich, dass die Photonentheorie sowohl das Fernfeld als auch das Nahfeld beschreibt. Im letzteren Fall sind die Photonen virtuell.

Ja, alle Radiowellen haben im Nahfeld die gleiche Abfolge des E- und des B-Feldes. Es ist die Regel des rechten Handgriffs (herkömmliche Stromrichtung), da es keinen prinzipiellen Unterschied zu einem geraden Draht gibt.

Für eine makroskopische Antenne bringt es keine Vorteile, in Quanten zu denken. Jedenfalls sind diese emittierten Photonen Bosonen, und ihr bosonisches Verhalten dominiert.

Im Gegensatz dazu sind einzelne Antennen wie ein rotierendes Gasmolekül oder das NH3-Molekül oder atomarer Wasserstoff bei 21 cm durch Quantenregeln fest verbunden, sodass sie pro Zyklus ein exaktes Quant h der Aktion aussenden oder empfangen; Was jedoch emittiert oder absorbiert wird, bleibt eine rein elektromagnetische Welle, die sich niemals in Korpuskeln umwandelt.

Es gibt sowieso keine validierte Physik für eine solche postulierte Transmutation.

Willkommen bei Physics SE. Schauen Sie sich um und nehmen Sie an der Tour teil . Was Ihre Antwort betrifft, so ist die Quantenmechanik wunderbar validiert.
Abfolge von E- und B-Feld in Radiowellen und in einzelnen Photonen
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