你应该明白为什么电磁波的频率越高穿透障碍物的能力越弱

2023-01-07 09:42

大家好，我是小枣君。

关于5G毫米波的文章发表后，引起了很多读者的兴趣如文中所说，5G毫米波的信号覆盖非常弱，这是一个重要缺陷，将制约其后续发展

可是，这篇文章中对毫米波信号覆盖差的原因的描述在一些读者中引起了争议。

其实之前也有读者问过同样的问题很多人对电磁波频率和信号覆盖的关系有疑问

有人说电磁波频率越高，穿透力越弱，所以覆盖差那么有人问，X射线和γ射线，频率高，不是用于医学射线照相和金属设备探伤吗

也有人问，频率越高，渗透能力越弱为什么可见光能以如此高的频率穿透玻璃

总而言之，众说纷纭，谁也说不清楚频率和穿透能力的关系是什么。

今天，在这篇文章中，我们将详细解释这个问题。

首先，我们需要明确一些基本概念。

什么是电磁波你可能认为电磁波只是光波和电波，扭曲的正弦图案就是电磁波

电磁波

严格来说，电磁波是以波的形式传播的电磁场电场和磁场方向相同且相互垂直，在空间传播的振荡粒子波，就是电磁波

电磁波的传播与介质无关，即使在真空中也是如此。

阳光是电磁波的可见辐射形式无线电，微波，红外线，可见光，紫外线和X射线都是电磁波它们之间的主要区别是频率不同

记住，水波和声波不是电磁波，是机械波他们需要固体媒体一个点上下移动，带动下一个点移动，形成波浪

机械波

所以，请不要幻想空间中有这样的正弦曲线扭曲！

电磁波有很多种类型和用途为了避免发散，我们将只讨论电磁波在移动通信中的传播

也就是说，我们会重点关注:电磁波信号通过天线发出后，如何能传播更远的距离。

电磁波的传播有以下几种机制:直射，反射和衍射。

A点到B点，如果没有障碍，那么就是直达他们之间只有空气

真实的环境不会这么简单，周围总会有一些阻碍，所以会有一些反射在它们之间，仍然是空气

信号会叠加，导致快速减弱。

如果有障碍，那么问题就出现了信号怎么过

除了被环境物体反射，只有两个选择，一个是衍射，一个是直接穿透！

关于衍射，如果你的物理知识还没有还给老师，你应该还记得针孔成像吧。

衍射是指波浪遇到障碍物时偏离原来直线的物理现象换句话说，电磁波具有绕过障碍物的能力波长越长，波动越明显，越容易发生衍射

再来看渗透穿透这个很麻烦它包括三个过程

第一步是障碍表面。

从电磁波空气到障碍物，都需要利用外部的电场和磁场来感应介质内部的电场和磁场。

根据经典电磁波理论，电磁波在不同介质中的传播速度取决于介质的介电和磁性如果介质是导电性极好的理想导体，那么理想导体内部的电场永远为零，不可能产生电场

因此，如果障碍物是理想导体，所有的电磁波都会被反射回来。

对于非理想导体，电磁波在表面分为折射和反射两部分之比与波速和入射角有关，波速与频率有关因此，当穿过介质表面时，电磁波信号的一部分被衰减了

好了，接下来是第二步电磁波的部分折射最终进入介质

媒体分为同质媒体和异质媒体先说同质媒体

大多数介质不是理想导体或良导体，而是绝缘体或电阻率值不同的导体。

电磁波在绝缘体中传播顺畅和玻璃一样，是非常典型的绝缘体当光在玻璃中传播时，吸收率非常低，因此玻璃看起来是透明的

许多晶体，如盐晶体，冰糖晶体和纯水形成的冰，都与玻璃相似。

最典型的就是光纤在光纤中，可以传输几十公里

光纤芯

电磁波在不同电阻率导体中的传播可以用麦克斯韦方程来计算具体怎么算，我就不解释了

我们可以简单地理解:

是电磁波和磁场的传播，波峰和波谷是电场的两个极端。

电磁波的频率越高，波长越短，波峰和波谷靠得越近，介质中某一点附近的电场差越大，对应的电流也越大，因此介质中损失的能量就越多。

因此，在相同的前提下，在具有电阻率的导体中，频率越高，电磁波衰减越快。

一个典型的例子是深海中的潜艇潜艇使用长波或超长波与岸上基地通信因为无线信号的频率很低，在水中的衰减会更小

对于异质介质，这个问题更复杂。

电磁波在非均匀介质中传播相当于不同介质之间的反复折射，反射和衍射传播的途径比较复杂，最后注射的方向也很复杂路径太长也会带来更大的衰减

一个典型的例子就是墙面，无论是钢筋混凝土墙面还是砖墙面，都是一种非均质介质电磁波在传播过程中，会有不同程度的衰减

第三步，从介质到空气，又是一波折射和反射。

综上所述，你应该明白为什么电磁波的频率越高，穿透障碍物的能力越弱。

我们现在家里用的Wi—Fi有2.4GHz频段和5GHz频段如果你用过，应该都知道5GHz信号的穿墙能力明显弱于2.4GHz信号

昨天我们的文章里有提到毫米波，也是这样相同条件下，毫米波信号穿透障碍物的衰减会明显大于亚6GHz信号

值得一提的是，非均匀介质的信号衰减程度还与介质的颗粒大小有关如果颗粒破碎且较小，那么对于低频电磁波来说，由于波长大于颗粒大小，电磁波的衰减整体会更小

所以很多人会问，为什么高能射线，比如x光，频率那么高，穿透力那么强。

这其中的原因很复杂简单来说，对于这些频率极高的电磁波，经典电动力学无法完全成立

这到底是什么原因。

这么说吧，除了高频，X射线还有一个特点，就是能量极高。

当X射线照射到介质上时，只有一小部分被介质的原子阻挡，大部分穿过原子之间的缝隙，从而表现出很强的穿透能力。

那么，为什么铅块这样的重金属能有效阻挡X射线呢因为铅块的原子序数高，密度大，原子结构更紧密，不容易穿透

好了，文章到此结束电磁波的波长和频率与穿透能力的关系大家都明白了吗

谢谢你的耐心。下次见！

参考资料:

3.为什么X射线穿透力这么强。》，无损检测站