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墙真的挡住了手机、WiFi信号吗?事实是这样

2016-12-01 07:36 · 稿源:驱动之家

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。

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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