Viele Menschen haben Fragen zum Zusammenhang zwischen elektromagnetischer Wellenfrequenz (Wellenlänge) und Signalabdeckung. Manche behaupten, je höher die Frequenz elektromagnetischer Wellen, desto schwächer die Durchdringung und damit die Abdeckung. Manche fragen sich daher: Röntgenstrahlen und γ -Strahlen haben eine hohe Frequenz. Werden sie nicht in der medizinischen Fotografie und zur Fehlererkennung an Metallgeräten eingesetzt? Manche fragen sich auch: Je höher die Frequenz, desto schwächer die Durchdringungsfähigkeit. Warum kann die Frequenz von sichtbarem Licht so hoch sein, dass es Glas durchdringen kann? Welcher Zusammenhang besteht zwischen Frequenz und Durchdringungsfähigkeit? Im heutigen Artikel erläutern wir dieses Thema ausführlich.

Was sind elektromagnetische Wellen?

Man könnte meinen, elektromagnetische Wellen seien nicht nur Lichtwellen und elektrische Wellen, sondern auch die verdrehten Sinuswellen. Genau genommen handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen um elektromagnetische Felder, die sich wellenförmig ausbreiten. Zu den elektromagnetischen Wellen zählen elektrische und magnetische Felder in gleicher Richtung und senkrecht zueinander sowie oszillierende Teilchenwellen, die sich im Raum ausbreiten.

Welche Arten elektromagnetischer Wellen gibt es?

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist unabhängig vom Medium und kann sich auch im Vakuum ausbreiten. Sonnenlicht ist eine sichtbare Strahlungsform elektromagnetischer Wellen. Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlen und Röntgenstrahlen sind allesamt elektromagnetische Wellen. Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Frequenz.

Bitte bedenken Sie, dass Wasser- und Schallwellen keine elektromagnetischen, sondern mechanische Wellen sind. Sie benötigen physikalische Medien. Ein Punkt bewegt sich auf und ab, um den nächsten Punkt in Bewegung zu versetzen und so Wellen zu bilden.

Also bitte nicht ' Stellen Sie sich elektromagnetische Wellen nicht als eine sich im Raum windende Sinuskurve vor! Es gibt viele Arten und Anwendungen elektromagnetischer Wellen. Um Abweichungen zu vermeiden, beschränken wir uns zunächst auf die Diskussion über die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Mobilfunk. Anders ausgedrückt: Wir konzentrieren uns auf die Frage: Wie kann das elektromagnetische Signal nach dem Senden über die Antenne über größere Entfernungen übertragen werden?

Wie breiten sich elektromagnetische Wellen aus?

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen erfolgt nach folgenden Mechanismen: Direktstrahlung, Reflexion und Beugung (Beugung). Von Punkt A nach Punkt B ist es ein Direktschuss, sofern kein Hindernis vorhanden ist. Dazwischen befindet sich nur Luft.

Die reale Umgebung ist nicht so einfach. Es wird immer einige Hindernisse geben, daher wird es einige Reflexionen geben. Dazwischen ist die Luft immer noch die Hauptsache.

Signale werden überlagert, was zu schnellem Fading (Rayleigh-Fading) führt.

Wenn es Hindernisse gibt, dann ist das Problem aufgetreten: Wie soll das Signal passieren?

Neben der Verwendung von Umgebungsobjekten zur Reflexion gibt es nur zwei Möglichkeiten: eine ist Beugung (Beugung) und die andere ist direktes Eindringen! Wenn Ihr Physikwissen in Bezug auf die Beugung nicht an den Lehrer zurückgegeben wurde, sollten Sie sich an "Small Hole Imaging" erinnern?

Beugung bezeichnet das physikalische Phänomen, bei dem sich Wellen (wie Lichtwellen) von ihrer ursprünglichen Geraden wegbewegen, wenn sie auf Hindernisse treffen. Anders ausgedrückt: Elektromagnetische Wellen können Hindernisse „umgehen“. Je länger die Wellenlänge (größer als die Größe des Hindernisses), desto deutlicher ist die Flüchtigkeit und desto leichter tritt Beugung auf. Betrachten wir noch einmal die Penetration. Diese zu durchdringen ist schwieriger. Sie umfasst drei Prozesse.

Der erste Schritt ist die Hindernisoberfläche.

Elektromagnetische Wellen, die aus der Luft auf Hindernisse (z. B. Leiter) treffen, müssen externe elektrische und magnetische Felder nutzen, um im Medium elektrische und magnetische Felder zu induzieren. Basierend auf der klassischen Theorie elektromagnetischer Wellen hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in unterschiedlichen Medien von den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (Hindernisses) ab. Wenn das Medium ein idealer Leiter ist und die Leitfähigkeit besonders gut ist, beträgt die elektrische Feldstärke im idealen Leiter immer 0 und es kann kein elektrisches Feld erzeugt werden. Daher werden alle elektromagnetischen Wellen bei einem idealen Leiter reflektiert. Bei nicht idealen Leitern (den meisten Medien) werden elektromagnetische Wellen in zwei Teile aufgeteilt und an der Oberfläche gebrochen und reflektiert. Das Verhältnis der beiden Teile hängt von der Wellengeschwindigkeit und dem Einfallswinkel ab, und die Wellengeschwindigkeit hängt von der Frequenz ab. Daher wird das elektromagnetische Wellensignal beim Durchgang durch die Oberfläche des Mediums teilweise gedämpft.

Im zweiten Schritt gelangt die elektromagnetische Welle durch Brechung schließlich in das Innere des Mediums.

Das Medium wird in homogene und ungleichmäßige Medien unterteilt. Lassen Sie uns zunächst über homogene Medien sprechen. Die meisten Dielektrika sind keine idealen oder guten Leiter, sondern Isolatoren oder Leiter mit unterschiedlichen Widerstandswerten. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Isolator ist relativ gleichmäßig. Wie Glas ist es ein typischer Isolator. Wenn sich Licht in Glas ausbreitet, ist die Absorptionsrate sehr gering, sodass das Glas sehr transparent erscheint. Viele Kristalle, wie zum Beispiel Speisesalzkristalle, Kandiszuckerkristalle und Eis aus reinem Wasser, ähneln Glas. Am typischsten sind Glasfasern. Licht kann in Glasfasern Dutzende von Kilometern zurücklegen.

Die elektromagnetische Kernwelle der Glasfaser breitet sich in Leitern mit unterschiedlichen Widerständen aus, die mit der Maxwell-Gleichung berechnet werden können. Ich habe gewonnen ' t erklären, wie man es berechnet. Wir können es einfach verstehen: Elektromagnetische Wellen sind die Ausbreitung von elektrischen und magnetischen Feldern, und die Spitzen und Täler sind die beiden Extremwerte des elektrischen Feldes.

Je höher die Frequenz der elektromagnetischen Welle, desto kürzer die Wellenlänge und desto dichter liegen die Spitzen und Täler beieinander. Je größer der Unterschied im elektrischen Feld in der Nähe eines bestimmten Punkts des Mediums und desto größer der entsprechende Strom, desto mehr Energie geht im Medium verloren.

Unter der gleichen Voraussetzung gilt daher in einem Leiter mit spezifischem Widerstand: Je höher die Frequenz der elektromagnetischen Wellen, desto schneller erfolgt die Dämpfung. Ein typisches Beispiel sind U-Boote in der Tiefsee. U-Boote kommunizieren über Langwellen oder Ultralangwellen mit Küstenstützpunkten. Da die Frequenz des Funksignals sehr niedrig ist, ist die Dämpfung im Wasser geringer. Bei inhomogenen Medien ist dieses Problem noch komplizierter. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in ungleichmäßigen Medien ist gleichbedeutend mit wiederholter Brechung, Reflexion und Beugung zwischen unterschiedlichen Medien. Der Ausbreitungsweg ist komplizierter und auch die Richtung des endgültigen Schusses ist sehr kompliziert. Ein zu langer Weg bringt auch eine größere Dämpfung (Verlust) mit sich. Ein typisches Beispiel sind Wände. Egal, ob es sich um eine Stahlbetonwand oder eine Ziegelwand handelt, es handelt sich um ein inhomogenes Medium. Während der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen treten unterschiedlich starke Dämpfungen auf.

Der dritte Schritt, vom Medium in die Luft, ist eine weitere Welle der Brechung und Reflexion.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektromagnetische Wellen mit ihrer höheren Frequenz weniger gut durch Hindernisse dringen können. Das in unseren Haushalten verwendete WLAN nutzt sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band. Wer es schon einmal genutzt hat, weiß, dass 5-GHz-Signale deutlich weniger stark durch Wände dringen als 2,4-GHz-Signale. Dasselbe gilt für Millimeterwellen. Unter gleichen Bedingungen ist die Dämpfung von Millimeterwellensignalen beim Durchdringen von Hindernissen deutlich höher als die von Sub-6-GHz-Signalen. Erwähnenswert ist, dass der Grad der Signaldämpfung in einem inhomogenen Medium auch von dessen Körnigkeit abhängt. Bei zerbrochenen und sehr kleinen Partikeln ist die Gesamtdämpfung elektromagnetischer Wellen bei niederfrequenten elektromagnetischen Wellen geringer, da deren Wellenlänge viel größer ist als die Partikelgröße.

Warum also haben hochenergetische Strahlen wie Röntgenstrahlen eine so hohe Frequenz und starke Durchdringungskraft? Die Gründe dafür sind kompliziert. Vereinfacht ausgedrückt lässt sich die klassische Elektrodynamik für diese extrem hochfrequenten elektromagnetischen Wellen nicht vollständig erklären. Röntgenstrahlen haben neben ihrer hohen Frequenz noch eine weitere Eigenschaft: Sie sind extrem stark. Wenn Röntgenstrahlen auf ein Medium treffen, wird nur ein kleiner Teil von den Atomen des Mediums blockiert, der Großteil hingegen durchdringt die Lücken zwischen den Atomen und weist somit eine hohe Durchdringungskraft auf. Warum können Schwermetalle wie Bleiblöcke Röntgenstrahlen wirksam blockieren? Da der Bleiblock eine höhere Ordnungszahl, eine höhere Dichte und eine engere Atomstruktur hat, ist es nicht leicht, ihn zu „durchdringen“.