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”(skin effect)。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(skin effect)。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。
出品:科普中国
制作:马慧
监制:中国科学院计算机网络信息中心
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。