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究竟是誰擋住了你的手機信號

2016-12-05

  無時無刻都拿著手機的你,肯定會發現,當你進入地下室或者進入某些高樓的時候,手機信號經常會有大幅度的衰減;當你進入電梯之后,一般就完全沒有了信號。看到這里,想必各位都想起了自己相似的經歷。

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  感性的認知告訴我們,信號在穿墻時似乎會出現損耗,與墻的厚度好像有些關系。這大概是在地下室或者在某些建筑中信號不好的原因。利用這個“理論”也能勉強解釋在電梯里沒有信號的原因。但是,當我告訴你,利用一層薄薄的錫紙包裹住手機就可以完全阻隔信號,這個現象用我們感性認知下的“厚墻擋信號”理論似乎無法解釋。

  相信大家都知道,手機信號的傳播是利用按照一定頻率變化的電磁波進行的。在手機附近,攜帶信號的電磁波振幅越大,手機的信號越好。如果我們來到了信號很弱的地方,代表只有很少部分的電磁波信號能夠到達這里。生活經驗告訴我們,電磁波穿墻之后振幅的確會減小,致使信號衰減。但到底是什么阻礙甚至阻擋了電磁波的傳播,從而讓手機沒有了信號?

  要解決這個問題,還得從一個物理現象說起。

  電磁波在介質中的傳播遵循“趨膚效應”(skin effect)。顧名思義,就是電磁波趨向于表面的現象。查閱定義,我們得知——當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分布不均勻,電流集中在導體的“皮膚”部分,也就是說電流集中在導體外表的薄層,越靠近導體表面,電流密度越大,導線內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加,使它的損耗功率也增加。這一現象稱為趨膚效應(skin effect)。那這個效應與手機信號的傳播有什么關系呢?

  原來,攜帶信號的電磁波穿過一些介質時,受到趨膚效應的制約,使得一部分電磁波停留在介質的表面而無法完全穿過這個介質。介質的導電性能越好,對電磁波的阻礙效果越明顯。

  現在我們假設有一堵墻,電磁波要穿過去。如果這堵墻是完全絕緣的,那么在電磁波眼里根本沒有這堵墻,它可以非常開心地穿過去,沒有任何損耗;但如果這堵墻是導電的,比如,墻是金屬的,在電磁波看來,這是一堵不可逾越的高墻,幾乎不可能穿過去,這也就是一層薄薄的錫紙就可以讓手機沒信號的原因,也正是因為這個原因,在c里信號特別差(電梯相當于一個金屬箱子)。 

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  至此,我們知道,導電性能強的材料(金屬或者能夠導電的各種物質)會對電磁波的傳播造成嚴重的影響。這時候可能有人會問了,建筑物的墻不是不導電嗎,那為什么也會阻礙電磁波傳播,讓手機信號衰減呢?

  正如之前所說的,如果這是一堵“純純”的墻,電磁波穿過它是幾乎沒什么損耗的。但我們知道,為了增強墻的承重能力,鋼筋混凝土結構被建筑業廣泛地使用。也就是說,墻體內部不僅有水泥等絕緣材料,還有導電的鋼筋,當然還有各種埋在墻內的電線。這使得墻體對電磁波有一定的阻礙作用。因此當我們身處地下空間時,信號會產生不同程度的減弱,直至完全消失。

  趨膚效應阻礙信號的實例廣泛存在于各個領域。我們知道,海水是電的良導體。在軍事上,為了將“上升”、“下降”、“前進”、“停止”等這類簡單的信號傳給處在水下的潛艇,必須使用大型的天線陣列,發射高強度的電磁波信號,但即使是這樣,也最多能夠實現水下30米左右的通信,一旦超過這個距離,通信就會變得異常困難。但是,任何事物都有它的兩面性,趨膚效應確實給我們帶來了很多不便,但是也有一些有利的應用。比如利用趨膚效應制造出一個靜電屏蔽的區域(類似于法拉第籠),進行一些精確的實驗測量等。

  這時候肯定又有人要問了,難道就沒有消除或者避免這個效應的辦法,使得信號能夠順利傳播嗎?因為這是電磁波的基本性質,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效應的出現。比如,很多電梯里都安裝了一個小型的信號中繼器,讓電梯里充滿信號;類似的,很多地鐵站在沿線都安裝了一些信號中繼器,使得你可以在十多米深的地下還能暢通無阻地玩手機。

  物理學告訴我們,生活中各種現象背后都有其蘊含的物理原理。物理學家們通過各種現象歸納總結出簡單而深刻的物理學規律。


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