无时无刻都拿着手机的你 , 肯定会发现,当你进入地下室或者进入某些高楼的时候,手机信号经常会有大幅度的衰减;当你进入电梯之后,一般就完全没有了信号 。看到这里,想必各位都想起了自己相似的经历 。
感性的认知告诉我们,信号在穿墙时似乎会出现损耗,与墙的厚度好像有些关系 。这大概是在地下室或者在某些建筑中信号不好的原因 。利用这个理论也能勉强解释在电梯里没有信号的原因 。但是,当我告诉你,利用一层薄薄的锡纸包裹住手机就可以完全阻隔信号,这个现象用我们感性认知下的厚墙挡信号理论似乎无法解释 。
相信大家都知道,手机信号的传播是利用按照一定频率变化的电磁波进行的 。在手机附近,携带信号的电磁波振幅越大,手机的信号越好 。如果我们来到了信号很弱的地方,代表只有很少部分的电磁波信号能够到达这里 。
生活经验告诉我们,电磁波穿墙之后振幅的确会减小,致使信号衰减 。但到底是什么阻碍甚至阻挡了电磁波的传播,从而让手机没有了信号?要解决这个问题 , 还得从一个物理现象说起 。
电磁波在介质中的传播遵循趋肤效应 。顾名思义,就是电磁波趋向于表面的现象 。查阅定义,我们得知当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的皮肤部分 , 也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导线内部实际上电流较小 。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加 。这一现象称为趋肤效应 。那这个效应与手机信号的传播有什么关系呢?
原来,携带信号的电磁波穿过一些介质时,受到趋肤效应的制约,使得一部分电磁波停留在介质的表面而无法完全穿过这个介质 。介质的导电性能越好,对电磁波的阻碍效果越明显 。
现在我们假设有一堵墙,电磁波要穿过去 。如果这堵墙是完全绝缘的 , 那么在电磁波眼里根本没有这堵墙,它可以非常开心地穿过去,没有任何损耗;但如果这堵墙是导电的,比如,墙是金属的,在电磁波看来,这是一堵不可逾越的高墙,几乎不可能穿过去,这也就是一层薄薄的锡纸就可以让手机没信号的原因,也正是因为这个原因,在c里信号特别差(电梯相当于一个金属箱子) 。
至此 , 我们知道 , 导电性能强的材料(金属或者能够导电的各种物质)会对电磁波的传播造成严重的影响 。这时候可能有人会问了 , 建筑物的墙不是不导电吗,那为什么也会阻碍电磁波传播 , 让手机信号衰减呢?
正如之前所说的,如果这是一堵纯纯的墙,电磁波穿过它是几乎没什么损耗的 。但我们知道,为了增强墙的承重能力,钢筋混凝土结构被建筑业广泛地使用 。也就是说 , 墙体内部不仅有水泥等绝缘材料,还有导电的钢筋,当然还有各种埋在墙内的电线 。这使得墙体对电磁波有一定的阻碍作用 。因此当我们身处地下空间时,信号会产生不同程度的减弱,直至完全消失 。
趋肤效应阻碍信号的实例广泛存在于各个领域 。我们知道,海水是电的良导体 。在军事上,为了将上升、下降、前进、停止等这类简单的信号传给处在水下的潜艇 , 必须使用大型的天线阵列 , 发射高强度的电磁波信号 , 但即使是这样 , 也最多能够实现水下30米左右的通信,一旦超过这个距离,通信就会变得异常困难 。
但是 , 任何事物都有它的两面性 , 趋肤效应确实给我们带来了很多不便,但是也有一些有利的应用 。比如利用趋肤效应制造出一个静电屏蔽的区域(类似于法拉第笼),进行一些精确的实验测量等 。
这时候肯定又有人要问了,难道就没有消除或者避免这个效应的办法,使得信号能够顺利传播吗?因为这是电磁波的基本性质,想要消除的确有些困难,但是我们有很多办法可以避免这个效应的出现 。比如 , 很多电梯里都安装了一个小型的信号中继器,让电梯里充满信号;类似的,很多地铁站在沿线都安装了一些信号中继器 , 使得你可以在十多米深的地下还能畅通无阻地玩手机 。
【墙真的挡住了手机、WiFi信号吗?事实是这样】物理学告诉我们,生活中各种现象背后都有其蕴含的物理原理 。物理学家们通过各种现象归纳总结出简单而深刻的物理学规律 。
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