Warum hat Vakuum gegenüber elektromagnetischer Strahlung eine charakteristische Impedanz ungleich Null?

Numerisch ist es ein Verhältnis zwischen zwei Zahlen. Intuitiv oder physikalisch können Sie sich die Freiraumimpedanz als begrenzenden Faktor für die Änderungsrate des elektrischen/magnetischen Felds vorstellen. Die folgende Beziehung ergibt sich natürlich aus Maxwell-Gleichungen:

wo$\eta$ist die charakteristische Impedanz des freien Raums, die 377 Ohm beträgt,$E$ist das elektrische Feld der Welle und$H$ist das Magnetfeld der Welle. Das kann man mit dem Ohmschen Gesetz vergleichen. Wenn$\eta$auf Null gesetzt wurde, bedeutet das, dass eines von zwei Dingen wahr sein muss:

1. Entweder das Magnetfeld ($H$) ist unendlich mit endlichem elektrischem Feld ($E$).

2. Oder das elektrische Feld ($E$) ist Null mit einem Magnetfeld ungleich Null ($H$).

Das erste Szenario beschreibt eine Welle (keines der Felder ist Null), aber es ist falsch, weil es unendlich erfordert$H$was nicht physikalisch ist. Dementsprechend mit einem Nicht-Null-Wert von$\eta$begrenzt das erforderliche Magnetfeld so, dass beide$E$und$H$ungleich Null und endlich werden. Das zweite Szenario beschreibt keine elektromagnetischen Wellen. Es beschreibt eine magnetostatische Situation.

Die Dielektrizitätskonstante im freien Raum hat die Einheit$\mathrm{F/m}$während die Durchlässigkeit des freien Raums eine Einheit von hat$\mathrm{H/m}$. Wenn Sie darüber nachdenken, können Sie die Ausbreitung von EM-Wellen im Vakuum mit einem unendlich langen Stromkreis aus Induktivität und Kapazität modellieren. Dieser Stromkreis wird pro Längeneinheit gezeichnet, deshalb werden die Einheiten pro Meter angegeben. Siehe nächste Abbildung

Aus Schaltungssicht lässt der Kondensator keine plötzlichen Spannungsänderungen zu, da dies einen unendlichen Strom erfordert (der offensichtlich nicht physikalisch ist) gemäß:

Im gleichen Sinne erlaubt die Induktivität keine plötzlichen Änderungen des Stroms, da dies eine Spannung erfordert (die offensichtlich nicht physikalisch ist) gemäß:

Der Strom und die Spannung sind äquivalent zu magnetischen bzw. elektrischen Feldern. Kapazität und Induktivität sind äquivalent zu Permittivität bzw. Permeabilität. In einer solchen Schaltung entspricht die Resonanzfrequenz der Geschwindigkeit der EM-Welle:

Das Studium von Wellen mit Schaltkreisen ist ein voll entwickeltes Gebiet; Schaltungen, die zur Untersuchung der EM-Wellenausbreitung nicht nur im Weltraum, sondern auch auf anderen Medien, einschließlich Übertragungsleitungen, verwendet werden, werden als Übertragungsleitungsschaltungen bezeichnet.

Hoffentlich hat das geholfen!

Die Impedanz von 377 Ohm des leeren Raums „ergibt intuitiv keinen Sinn“, im Grunde weil sie keine physikalische Bedeutung hat . Das heißt, der Wert von 377 Ohm ergibt sich ausschließlich aus den willkürlich definierten (und völlig unnötigen) MKS-„Konstanten“ von$\mu_0$und$\epsilon_0$. Diese Konstanten wurden aus technischen Gründen in SI eingeführt (um Größen im menschlichen Maßstab anzugeben); aber sie enthalten auch "Einheiten" (Farads und Henrys), die die zugrunde liegende Physik stark verwirren.

Die Maxwell-Lorentz-Gleichungen, die beschreiben${E,B}$Felder und Kräfte auf Ladungen, benötigen nur 1) die definierten Längen- und Zeiteinheiten (z. B. Meter und Sekunden) mit der daraus resultierenden Lichtgeschwindigkeit$c$; und 2) eine definierte Einheit für die Elektronenladung$e$. Die Gleichungen besagen, dass Ladungen entstehen$E$, bewegliche Ladungen erzeugen$B$, und${E,B}$Paar durch ihre Zeitvariationen. Einmal durch Ladungen erzeugt, breitet sich diese gekoppelte Zeitvariation als "Photon" durch den leeren Raum aus und trägt Energie und Impuls. Die einzige "Leitfähigkeit" ist die Geschwindigkeit$c$, und die einzige "Impedanz" ist$1/c$.

Aus Sicht der "Einheiten" sagt CGS, dass es sich um eine Gebühr handelt$e$erzeugt ein elektrisches Feld$E$auf Abstand$r$gegeben von$E = e / r^2$, während MKS sagt$E = e / 4 \pi \epsilon_0 r^2$. Die MKS-Konstante$\epsilon_0 = 8.85\times 10^{-12}$(Farad/Meter) definiert die Permittivität des leeren Raums als eine bestimmte Zahl und gibt ihr auch Einheiten an. In CGS könnte die Permittivität des leeren Raums ausgedrückt werden als „Ja, es erlaubt$E$Felder", die die "1" in der obigen Gleichung darstellen für$E$. Die MKS-Durchlässigkeit$\mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7}$(Henrys/m) ist ähnlich willkürlich, mit der physikalischen Realität nur durch die Forderung verbunden, dass$\epsilon_0\times\mu_0 = 1 / c^2$.

Eine weitere Verwirrung besteht darin, dass Widerstand (wie in elektrischen Schaltkreisen) dissipativ ist und kohärente Arbeit oder Leistung in entropische Wärme umwandelt; wohingegen der allgemeine Begriff "Impedanz" nicht dissipative phasenverschobene Reaktanzen umfasst, wie sie beispielsweise bei Kondensatoren und Induktoren auftreten. Unabhängig von ihrem numerischen Wert ist die Impedanz des leeren Raums für Photonen nicht dissipativ, wie bei einem LCR-Schwingkreis$R=0$.

Da ein endliches fluktuierendes elektrisches Feld ein endliches fluktuierendes magnetisches Feld erzeugt (und umgekehrt), muss auch ihr Verhältnis einen endlichen Wert haben. In anderen Welten ist das eine endliche Größe nur eine Folge der Existenz von Licht im Vakuum.

Nun, dieser Wert selbst ist lediglich eine Folge der von Ihnen gewählten Definition der Einheiten, also ist es so$376.730... \Omega$ist nicht etwas sehr Interessantes an sich.

Die Tatsache, dass es nicht von der Frequenz abhängt, ist jedoch sehr wichtig (und mit bloßem Auge sichtbar): Das liegt daran, dass beides der Fall ist$\epsilon_0$und$\mu_0$sind fundamentale Konstanten. Mit anderen Worten, Vakuum ist ein nicht-dispersives Medium; Deshalb sehen wir alle Farben eines Objekts gleichzeitig ankommen.

Eigentlich macht eine Impedanz von 377 Ohm durchaus Sinn. Andernfalls wäre die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bei einer Impedanz von Null unendlich oder zumindest undefiniert (dh$1/0$). Das bedeutet, dass eine Null-Vakuum-Raumimpedanz in unserem Universum nicht möglich ist.

Der Vakuumraum ist nicht „leer“ oder „nichts“, und seine Impedanz beweist, dass dies tatsächlich einem Medium ähnlich ist (unpopuläre Definition) oder besser beschrieben durch QFT, das von einem allgegenwärtigen Skalarfeld, dem Higgs-Feld, durchdrungen ist.

Seien Sie sich bewusst, dass, wenn ein Vakuum keine Materie hat, dh es ein leerer Raum ist, wie können wir eine Permittivität und Permeabilität dafür definieren? Andererseits ist der freie Raum (Atmosphäre) kein leerer Raum, daher hat er eine bestimmte Permittivität und Permeabilität, die mit einer tiefgestellten Null, Kerbe, definiert wurde, um ihn als freien Raum und nicht wie üblich als Vakuum zu identifizieren. Die Messung der Permittivität im Vakuum soll ungefähr gleich der des freien Raums sein. Meist handelt es sich um ein Missverständnis bei der Definition. Haben wir zum Beispiel irgendeine Art von Materie im interstellaren Raum? Die elektromagnetischen Wellen, wie man ihre Geschwindigkeit wie oben dargestellt bestimmen kann, brauchen Materie, um sich auszubreiten. Wenn das stimmt, wie breitet sich dann eine elektromagnetische Welle im Vakuum aus? Auf der anderen Seite,