Wie breiten sich elektromagnetische Wellen von einer Antenne weg aus?

Antenne ist ein Gerät, bestehend aus einem horizontalen Stab mit angelegtem Strom an beiden Enden. Der Strom ist alternierend und variiert harmonisch (der Einfachheit halber)$I \sim I_0 e^{i\omega t}$.

Aus dem Ampereschen Gesetz wissen wir, dass Strom ein harmonisch variierendes Magnetfeld erzeugt$B\sim B_0 e^{i\omega t}$, die nach dem Faradayschen Gesetz ein elektrisches Wechselfeld erzeugen wird$\nabla \times B = \frac{1}{c^2}\frac{\partial E}{\partial t}$, Wo$E\sim E_0 e^{i\omega t}$.

Aus den Maxwell-Gleichungen:

In einer ähnlichen Warteschleifenfrage von Ihnen habe ich darauf geantwortet, wie sich die sogenannte klassische elektromagnetische Welle von einer Antenne ausbreitet. Es ist eine Frage von Messungen und Beobachtungen, was es tut, und die Grenzwertlösungen der klassischen Maxwell-Gleichungen passen zu den Beobachtungen und sind erfolgreich bei der Vorhersage jedes neuen elektromagnetischen Strahlungsaufbaus. Die klassische Antwort lautet also "weil das gemessen wird" .

Also klassisch endet das Wie dort. Wir sind aber weitergekommen und wissen, dass die Welt quantenmechanisch ist und im Grunde aus Elementarteilchen besteht und das aktuelle Erfolgsmodell das Standardmodell ist . Wir können dann im quantenmechanischen Rahmen auf die untere Ebene gehen, „wie“ eine Antenne elektromagnetische Wellen ausstrahlt, indem wir anmerken, dass wir experimentell herausgefunden haben , dass eine Lichtwelle aus Photonen besteht, Elementarteilchen im Standardmodell.

Sie können einzeln ausgelöst werden und sind kleine Punkte auf dem Display, aber wenn ihre Anzahl zunimmt, bauen sie die klassische Interferenz von Licht der gegebenen Wellenlänge auf.

Wir können also beim Wie noch einen Schritt weiter gehen: Die Elektronen, die sich im Leiter der Antenne bewegen, strahlen einzelne Photonen aus, die im Zusammenspiel mit unzähligen einzelnen Photonen anderer Elektronen mit der Geschwindigkeit c im Raum um die Antenne austreten. Sie bauen die klassische elektromagnetische Welle nach der Mathematik der Quantenfeldtheorie auf.

Nun, warum Licht aus kohärenter Bewegung von Billionen von Photonen besteht, wird beantwortet mit "weil das beobachtet und gemessen wurde".

Weil ich denke, dass Sie nicht über das Wissen verfügen, von dem andere auf dieser Website glauben, dass Sie es haben, denke ich, dass meine Antwort Ihnen am meisten helfen wird, aber es ist eine Vereinfachung, damit Sie intuitiv verstehen, was passiert.

Die elektrischen Felder (Änderungen des Wertes des elektrischen Feldes, bevor die Leute mit dem Abstimmen beginnen) werden ständig von Elektronen "erzeugt", auch wenn sie sich nicht bewegen. Diese Felder fliegen ständig von der Quelle weg. Aber weil die 3 räumlichen Dimensionen unseres Universums im Quadrat immer kleiner werden. Deshalb ist das elektrische Feld umso stärker, je näher man dem Elektron kommt und wird deutlich schwächer, wenn man sich davon entfernt.

Wenn Sie beginnen, das Elektron zu bewegen, werden Sie diese Änderung des elektrischen Felds erst sehen, nachdem diese Änderung des elektrischen Felds Sie mit Lichtgeschwindigkeit erreichen wird.

Nun, wenn wir Wechselstrom in der Antenne haben, erzeugt das ein wechselndes Magnetfeld um diesen Strom herum, das dann mit Lichtgeschwindigkeit davonfliegt. Wie wir wissen, erzeugen sich ändernde Magnetfelder ein sich änderndes elektrisches Feld und das wiederum erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld....

Die Energie, die von einem sich ändernden elektrischen und magnetischen Feld getragen wird, wird durch das, was wir ein Photon nennen, quantisiert. Aber von hier an werden die Dinge viel komplizierter.

Ein reines Trägerwellensignal (keine Audioinformationen / Modulation) ist im Grunde nur eine hochfrequente AC-Sinuswelle, die vom Sender erzeugt wird. Ein Leiter mit einem Potential an den Enden erzeugt ein elektrisches Feld entlang des Drahtes und ein Magnetfeld, das ihn rechtwinklig umkreist.
Bei HF-Frequenzen über (30 kHz Wechselstrom) beginnen diese Felder als Elektromagnetismus (EM-Wellen) nach außen zu strahlen.
Das elektrische Feld E ist parallel zur Antennenlänge, während das magnetische Feld H, immer noch in Phase mit dem E-Feld, bei 90 Grad zur Antenne liegt (folgt der H-Feldrichtung vom Draht).
Wenn der Sender die Polarität umkehrt, kehren sowohl E- als auch H(M)-Felder ebenfalls die Polarität um.
Diese Polaritätsumkehr wiederholt sich bei der vom Sender erzeugten Frequenz.
In dem Buch "Modern Electronic Communication" beschreibt ein extrahierter Text die Grundlagen (langer Artikel abgekürzt für Post):
Elektromagnetische Wellen : Alle elektrischen Schaltkreise enthalten E- und M-Felder. In Schaltkreisen wird diese Energie normalerweise in den Schaltkreis zurückgeführt, wenn das Feld zusammenbricht.
Wenn das Feld seine Energie nicht vollständig an den Stromkreis zurückgibt, wird die Welle teilweise vom Stromkreis abgestrahlt oder freigesetzt.
Eine effiziente, resonante Antenne ist so konzipiert, dass EM-Energie nicht wieder in den Stromkreis einbrechen kann.
Dies liegt daran, dass der Strom in die entgegengesetzte Richtung (Null) fließt.
Somit wird auch dieser Halbzyklus der Wellenform mit umgekehrter Polarität (negativ) übertragen.
Die E- und H-Felder interagieren miteinander, ähnlich wie bei einem Generator/Motor (Elektrizität<>Magnetismus).
Die Welle wird als Traverse bezeichnet , da die Schwingungen senkrecht (bei 90 Grad) zur Ausbreitungsrichtung (Wellenbewegung) sind.
Antennen haben eine Polarisation (vertikal oder horizontal), die durch die Richtung ihrer E-Feldkomponente bestimmt wird.
Als Faustregel gilt, dass Sende- und Empfangsantennen für maximale Effizienz die gleiche Polarisation haben sollten.
Navigieren Sie für eine grafische Animation der EM-Strahlung zu Physics Stack Exchange>[Elektromagnetische Strahlung]>@asmeurer (Antwort).