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[導(dǎo)讀]   無(wú)時(shí)無(wú)刻都拿著手機(jī)的你,肯定會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)你進(jìn)入地下室或者進(jìn)入某些高樓的時(shí)候,手機(jī)信號(hào)經(jīng)常會(huì)有大幅度的衰減;當(dāng)你進(jìn)入電梯之后,一般就完全沒(méi)有了信號(hào)??吹竭@里,想必各位都想起了自己相似的經(jīng)歷。

  無(wú)時(shí)無(wú)刻都拿著手機(jī)的你,肯定會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)你進(jìn)入地下室或者進(jìn)入某些高樓的時(shí)候,手機(jī)信號(hào)經(jīng)常會(huì)有大幅度的衰減;當(dāng)你進(jìn)入電梯之后,一般就完全沒(méi)有了信號(hào)??吹竭@里,想必各位都想起了自己相似的經(jīng)歷。
  感性的認(rèn)知告訴我們,信號(hào)在穿墻時(shí)似乎會(huì)出現(xiàn)損耗,與墻的厚度好像有些關(guān)系。這大概是在地下室或者在某些建筑中信號(hào)不好的原因。利用這個(gè)“理論”也能勉強(qiáng)解釋在電梯里沒(méi)有信號(hào)的原因。但是,當(dāng)我告訴你,利用一層薄薄的錫紙包裹住手機(jī)就可以完全阻隔信號(hào),這個(gè)現(xiàn)象用我們感性認(rèn)知下的“厚墻擋信號(hào)”理論似乎無(wú)法解釋。

  相信大家都知道,手機(jī)信號(hào)的傳播是利用按照一定頻率變化的電磁波進(jìn)行的。在手機(jī)附近,攜帶信號(hào)的電磁波振幅越大,手機(jī)的信號(hào)越好。如果我們來(lái)到了信號(hào)很弱的地方,代表只有很少部分的電磁波信號(hào)能夠到達(dá)這里。生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們,電磁波穿墻之后振幅的確會(huì)減小,致使信號(hào)衰減。但到底是什么阻礙甚至阻擋了電磁波的傳播,從而讓手機(jī)沒(méi)有了信號(hào)?

  要解決這個(gè)問(wèn)題,還得從一個(gè)物理現(xiàn)象說(shuō)起。

  電磁波在介質(zhì)中的傳播遵循“趨膚效應(yīng)”(skin effect)。顧名思義,就是電磁波趨向于表面的現(xiàn)象。查閱定義,我們得知——當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻,電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分,也就是說(shuō)電流集中在導(dǎo)體外表的薄層,越靠近導(dǎo)體表面,電流密度越大,導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加,使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)(skin effect)。那這個(gè)效應(yīng)與手機(jī)信號(hào)的傳播有什么關(guān)系呢?

  原來(lái),攜帶信號(hào)的電磁波穿過(guò)一些介質(zhì)時(shí),受到趨膚效應(yīng)的制約,使得一部分電磁波停留在介質(zhì)的表面而無(wú)法完全穿過(guò)這個(gè)介質(zhì)。介質(zhì)的導(dǎo)電性能越好,對(duì)電磁波的阻礙效果越明顯。

  現(xiàn)在我們假設(shè)有一堵墻,電磁波要穿過(guò)去。如果這堵墻是完全絕緣的,那么在電磁波眼里根本沒(méi)有這堵墻,它可以非常開(kāi)心地穿過(guò)去,沒(méi)有任何損耗;但如果這堵墻是導(dǎo)電的,比如,墻是金屬的,在電磁波看來(lái),這是一堵不可逾越的高墻,幾乎不可能穿過(guò)去,這也就是一層薄薄的錫紙就可以讓手機(jī)沒(méi)信號(hào)的原因,也正是因?yàn)檫@個(gè)原因,在c里信號(hào)特別差(電梯相當(dāng)于一個(gè)金屬箱子)。

  

  至此,我們知道,導(dǎo)電性能強(qiáng)的材料(金屬或者能夠?qū)щ姷母鞣N物質(zhì))會(huì)對(duì)電磁波的傳播造成嚴(yán)重的影響。這時(shí)候可能有人會(huì)問(wèn)了,建筑物的墻不是不導(dǎo)電嗎,那為什么也會(huì)阻礙電磁波傳播,讓手機(jī)信號(hào)衰減呢?

  正如之前所說(shuō)的,如果這是一堵“純純”的墻,電磁波穿過(guò)它是幾乎沒(méi)什么損耗的。但我們知道,為了增強(qiáng)墻的承重能力,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被建筑業(yè)廣泛地使用。也就是說(shuō),墻體內(nèi)部不僅有水泥等絕緣材料,還有導(dǎo)電的鋼筋,當(dāng)然還有各種埋在墻內(nèi)的電線。這使得墻體對(duì)電磁波有一定的阻礙作用。因此當(dāng)我們身處地下空間時(shí),信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同程度的減弱,直至完全消失。

  趨膚效應(yīng)阻礙信號(hào)的實(shí)例廣泛存在于各個(gè)領(lǐng)域。我們知道,海水是電的良導(dǎo)體。在軍事上,為了將“上升”、“下降”、“前進(jìn)”、“停止”等這類(lèi)簡(jiǎn)單的信號(hào)傳給處在水下的潛艇,必須使用大型的天線陣列,發(fā)射高強(qiáng)度的電磁波信號(hào),但即使是這樣,也最多能夠?qū)崿F(xiàn)水下30米左右的通信,一旦超過(guò)這個(gè)距離,通信就會(huì)變得異常困難。但是,任何事物都有它的兩面性,趨膚效應(yīng)確實(shí)給我們帶來(lái)了很多不便,但是也有一些有利的應(yīng)用。比如利用趨膚效應(yīng)制造出一個(gè)靜電屏蔽的區(qū)域(類(lèi)似于法拉第籠),進(jìn)行一些精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量等。

  這時(shí)候肯定又有人要問(wèn)了,難道就沒(méi)有消除或者避免這個(gè)效應(yīng)的辦法,使得信號(hào)能夠順利傳播嗎?因?yàn)檫@是電磁波的基本性質(zhì),想要消除的確有些困難,但是我們有很多辦法可以避免這個(gè)效應(yīng)的出現(xiàn)。比如,很多電梯里都安裝了一個(gè)小型的信號(hào)中繼器,讓電梯里充滿(mǎn)信號(hào);類(lèi)似的,很多地鐵站在沿線都安裝了一些信號(hào)中繼器,使得你可以在十多米深的地下還能暢通無(wú)阻地玩手機(jī)。

  物理學(xué)告訴我們,生活中各種現(xiàn)象背后都有其蘊(yùn)含的物理原理。物理學(xué)家們通過(guò)各種現(xiàn)象歸納總結(jié)出簡(jiǎn)單而深刻的物理學(xué)規(guī)律。

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