关于电磁波频率(波长)和信号覆盖能力之间的关系,很多人都存在疑问。
有人说,电磁波的频率越高,穿透力越弱,所以覆盖能力差。那么就有人问,X射线和γ射线频率高,不是用于医学摄片和金属设备探伤吗?
也有人问,频率越高,穿透能力越弱,为什么可见光的频率那么高,却可以穿透玻璃呢?
总而言之,众说纷纭,谁也说不清楚,到底频率和穿透能力之间是什么样的关系。
今天这篇文章,我们就详细解释一下这个问题。
首先,我们要澄清一些基本概念。
什么是电磁波?大家可能觉得,电磁波不就是光波和电波么,扭来扭去的那种正弦图形,就是电磁波。
电磁波
严格来说,电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场,在空间中传播的震荡粒子波,就是电磁波。
电磁波的传播,不依赖于介质,就算在真空中,也可以传播。
太阳光,就是电磁波的一种可见的辐射形态。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线,都是电磁波。它们的主要区别,就是频率不同。
大家切记,水波、声波不是电磁波,而是机械波。它们是需要实体介质的,一个点上下运动,带动下一个点运动,形成了波。
机械波
所以,请不要把电磁波想象成真的有那么一个正弦曲线在空间中扭动!
电磁波的类别和用处很多,为了避免发散,我们先仅限于讨论移动通信中的电磁波传播。
也就是说,我们重点讨论:电磁波信号由天线发出之后,究竟如何才能传播更远的距离?
电磁波的传播,有以下几种机制:直射、反射和衍射(绕射)。
A点到B点,如果没有障碍物,那么就是直射。它们之间只有空气。
现实中的环境不会那么简单,周围总会有一些障碍物,于是,会有一些反射。它们之间,还是空气为主。
信号会发生叠加,产生快衰弱(瑞利衰落)
如果有障碍物,那么问题出现了,信号该怎么过去呢?
除了借助环境物体进行反射之外,就只剩两个选择,一个是衍射(绕射),一个是直接穿透过去!
关于衍射,如果你的物理知识还没还给老师的话,应该记得“小孔成像”吧?
衍射,指的是波(如光波)遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。也就是说,电磁波具备“绕开”障碍物的能力。波长越长(大于障碍物尺寸),波动性越明显,越容易发生衍射现象。
再来看穿透。穿透这个比较麻烦。它包括了3个过程。
第一步,是障碍物表面。
电磁波从空气到障碍物(也就是导体),需要用外面的电场和磁场感应出介质里面的电场和磁场。
基于经典电磁波理论,电磁波在不同介质的传播速度,取决于介质(障碍物)的介电特性和介磁特性。如果介质是理想导体,导电性能特别好,那么,电场在该理想导体内部永远为0,就不能产生电场。
所以,如果障碍物是理想导体,所有的电磁波都会反射回去。
对于非理想导体(大部分介质),电磁波在表面上分成折射和反射的两部分。两部分的比例跟波速、入射角有关,而波速又跟频率有关。所以,经过介质表面时,电磁波信号就已经衰减掉一部分了。
好了,接下来是第二步,电磁波折射的一部分终于进入介质内部。
介质分为均匀介质和不均匀介质。我们先说均匀介质。
大部分介质不是理想导体或良导体,而是绝缘体或者有不同电阻率值的导体。
电磁波在绝缘体中的传播较为顺畅。像玻璃,就是一种非常典型的绝缘体。光线在玻璃中传播时,吸收率很低,所以玻璃看着就很透明。
很多晶体,例如食盐晶体、冰糖晶体,还有纯净的水结成的冰,都和玻璃类似。
最典型的就是光纤。光在光纤中,可以传输几十公里。
光纤的纤芯
电磁波在有不同电阻率的导体中传播,可以使用麦克斯韦方程式进行计算。具体怎么算,我就不解释了。
我们可以简单来理解:
电磁波是电场和磁场的传播,波峰和波谷是电场的两个极值。
当电磁波频率越高,则波长越短,波峰和波谷离得越近,介质某一点附近电场的差异就越大,相应电流就越大,所以损耗在介质里的能量就越多。
所以,相同前提条件下,在有电阻率的导体中,频率越高的电磁波,衰减得就越快。
比较典型的例子就是深海中的潜艇。潜艇都是使用长波或超长波与岸上基地进行通信的。因为无线信号的频率很低,在水中的衰减会更小。
对于不均匀介质,这个问题就更复杂了。
电磁波在不均匀介质中传播,等于是在不同介质之间反复地发生折射、反射、衍射。传播的路径更加复杂,最终射出的方向也非常复杂。过长的路径,也会带来更大的衰减(损耗)。
典型的例子是墙面,不管是钢筋混凝土墙面,还是砖砌墙面,都是不均匀介质,电磁波传播过程中,就有不同程度的衰减。
第三步,从介质到空气,又是一波折射和反射。
综上所述,大家应该明白,为什么频率越高的电磁波,穿透障碍物的能力越弱了吧?
我们家里使用的Wi-Fi,现在都有2.4GHz频段和5GHz频段。大家用过的话,应该都知道,5GHz信号的穿墙能力明显弱于2.4GHz信号。
还有我们昨天文章所说的毫米波,也是一样的道理。相同条件下,毫米波信号穿透障碍物的衰减,明显会大于Sub-6GHz的信号。
值得一提的是,不均匀介质的信号衰减程度,和介质颗粒度也有关系。如果这个颗粒打得很碎,颗粒很小,那么,对于低频电磁波来说,由于波长远大于颗粒尺寸,整体上电磁波的衰减会更小一些。
那么很多人会问,为什么高能射线例如X射线频率那么高,穿透力却很强呢?
这里面的原因很复杂。简单来说,对于这些频率极高的电磁波,经典的电动力学不能完全成立。
这是什么鬼理由?
这么说吧,X射线除了频率高之外,还有一个特性,那就是能量极强。
X射线照在介质上时,仅一小部分被介质的原子“挡住”,大部分经由原子之间的缝隙“穿过”,从而表现出很强的穿透能力。
那么,为什么像铅块这样的重金属可以有效阻挡X射线呢?因为铅块的原子序数较高,密度大,原子结构更紧密,不容易“穿透”。
好啦,文章写到这里,就要结束了。关于电磁波的波长频率与穿透能力的关系,大家都搞明白了吗?
参考文献:
1、https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551 知乎,灵剑
2、https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 知乎,一头大考拉
3、《X射线穿透能力为什么这么强?》,无损检测站
来源:鲜枣课堂
编辑:Quanta Yuan
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