電磁波頻率越高穿透越強,那為什麼 Wi-Fi 可以穿牆,太陽光卻不能?


這個事情,首先我要說,隨便編輯問題是要做什麼,最開始提問的人認為頻率越高穿透力越強,後來被人改成了頻率越低穿透力越強,然後還有人在問題描述里嘲諷,你們搞不明白問題的評論區是做什麼用的嗎,這本來是一個不錯的問題的,為什麼你們要動不動就擺出自己比提問者優越的嘴臉。

回到問題,電磁波能否透過這是個非常複雜的問題,既不是頻率越高越容易透過,也不是頻率越低越容易透過,光透不過牆,但是光可以輕鬆透過玻璃。高頻率的電磁波跟低頻率的電磁波在很多方面也有完全不同的特性。

電磁波要透過一個物體的第一關是物體表面,電磁波在介質中和介質外的傳播速度是不一樣的,對於經典電磁理論來說,這個傳播速度主要取決於介質的介電特性和介磁特性,造成這一現象的原理是電磁場連續的條件,可以描述的公式是菲涅耳公式,當然這些都不想去了解的話,通俗來說,電磁波要從介質外傳播到介質內,需要用外面的電場和磁場感應出介質裡面的電場和磁場。對於理想導體來說這第一步就已經完蛋了,因為導電特性非常好,電場在理想導體內部永遠為0,所以無法在理想導體內部產生電磁波,界面上就全部反射了回去。我們可以看到金屬不管是對電磁波還是對光都有很好的反射的作用。對於其他介質來說,波速不同會讓電磁波在表面上分成折射和反射的兩部分,兩部分的比例跟波速、入射角有關,而波速又跟頻率有關,所以經過表面就已經衰減掉一部分了,如果是斜射,那麼就更複雜一些。

第二步是在介質內傳播的問題,先考慮均勻的介質,良導體我們剛才已經排除掉了,那麼基本可以粗略分成絕緣體和有電阻率的導體。玻璃這樣的材料可以看作是比較理想的絕緣體,電磁波在絕緣體當中傳播是比較順暢的,吸收率很低,所以玻璃就顯得透明。許多其他晶體,比如食鹽晶體,冰糖,純凈的水結成的冰,都有比較高的透明度。電磁波在這類介質當中可以損耗比較小地傳播。光纖的透明度可以將光傳播數千米而沒有明顯損耗。

電磁波在有電阻率的導體中傳播的問題可以通過麥克斯韋方程組來計算,但我知道大部分人既不願意去學什麼是麥克斯韋方程組,也不願意去算,那麼粗略來說,電磁波是電場和磁場的傳播,波峰和波谷是電場的兩個極值,那麼電磁波的頻率越高,波長就越短,波峰和波谷就越近,介質某一點附近電場的差異就越大,相應電流也就越大,所以損耗在介質裡面的能量就越多。所以在有電阻率的導體中,頻率越高的電磁波衰減得越快,也可以說是「透明度」越低。在水中,低頻率的電磁波可以傳播得很遠,超長波甚至可以用來跟潛艇通信,而高頻率的電磁波會馬上衰減,海水也變得不透明,差不多就是這個原理。我們平時遇到的牆這樣的材料,還有大地,還有許多其他的材料,都應當看作是電阻率很大的導體,因此比較低頻率的電磁波可以透過,高頻率的其實是被吸收了,所以我們既看不到光從這些材料里透過去,也看不到光從這些表面上產生高強度的反射。我們前面討論過絕緣體的問題,實際上絕對理想的絕緣體也不存在,因此即使是透明的介質,多多少少也會有一些吸收率。

對於不均勻的介質,這個問題又變複雜了,電磁波在不均勻的介質中會產生複雜的反射、折射、衍射、散射,導致傳播方向反覆變化,那麼就不一定還能夠從正確的位置穿出了,可能由於傳播距離過長而被吸收。比如說玻璃透明度很好,但是碎玻璃、磨砂玻璃就不怎麼透明了,食鹽晶體透明度很好,但變成食鹽粉末就不透明了。由於反射、折射、衍射、散射全部都跟電磁波的頻率有關,因此不同頻率的電磁波表現也完全不同。如果不均勻的顆粒比較小的話,那麼對於低頻率的電磁波來說由於不均勻性遠小于波長尺度,整體上還是比較均勻的,基本仍然能按均勻的方式傳播,而對於高頻率的電磁波來說,不均勻的干擾就很明顯了。而牆也顯然是非常不均勻的介質。

接下來當電磁波頻率提高的時候,又產生了額外的現象,就是頻率選擇吸收的現象,它是電磁波跟分子、原子直接作用的效果,一般到微波以上(包括可見光)的時候會出現。構成物質分子的化學鍵,可以看成是原子之間通過共享一對電子形成的相互作用,這一對電子有比較固定的電子云形狀,像一根彈簧一樣將原子保持在合適的距離上,當分子有熱運動的時候,原子會在這個化學鍵上進行振動,這個振動就跟彈簧振子一樣,有特定的頻率。當相同頻率的電磁波入射的時候,會和化學鍵上的電子有相互作用,形成共振,從而大幅度吸收了電磁波的能量,這個選擇性對於頻率很敏感,高了也不行,低了也不行,只在比較窄的一個峰上面吸收。從量子力學的角度,也可以說是構成化學鍵的電子有基態和激發態,只有吸收特徵頻率的電磁波才能從基態躍遷到激發態。2.4GHz的電磁波差不多是O-H也就是氫氧鍵的特徵頻率,所以微波爐可以加熱水和食物(食物中一般都含有-OH的羥基結構),但對於塑料(主要是C-H的化學鍵)幾乎就是透明的,可以透過塑料飯盒。

(更正:經過仔細核實這部分是有誤的,吸收譜的頻率並不在2.4GHz的範圍,而是在遠遠更高的紅外範圍。微波爐的電磁波吸收應該用電偶極子來解釋。)

對於可見光來說也一樣,可見光頻率更高,可能會直接跟原子(包括離子)的外層電子作用,讓電子躍遷到更高的軌道,從而吸收這種頻率的光,所以某些寶石會有非常漂亮的顏色,用光透過某些物質然後用分光計觀看,會有吸收譜。

對於頻率更高的電磁波,經典的電動力學不能完全成立了,單個光子攜帶的能量很高,需要考慮到光子的能量只能一整份一整份吸收的問題,所以高能X射線、gamma射線的穿透力很強,前面對於介質表面和介質內的討論不能完全成立。到這個範圍就不是我所學所能描述的了。

以上僅限於我所學的一些粗淺知識,實際上對於不同材料還有更多的複雜特性,也不斷有新的發現。所以說,電磁波能否透過是一個非常複雜的問題,並不是說頻率越高就越容易透過,也不是越低就越容易透過,而是需要具體問題具體分析的。


問題前半句不成立。

電磁波的「穿透力」與頻率之間並不是簡單的單調遞增或者遞減關係。

後面的現象也不確切。wifi也不是穿牆,有透過率,也有衍射。陽光的問題是透過率十分低,一般的牆壁反照率也不夠高,反射幾次就吸收完了。把陽光換成伽馬射線試試,穿金屬板能力比wifi強。

評論區有知友呼喚詳細些,那我試試詳細些。其他答主把衍射和反射的事情講的比較多了,我就光說透射吧。這也是跟題主問的「穿透力」字面上最接近的。

建築材料說來說去,可概括為金屬和半導體。金屬對電磁波的作用有反射和吸收。反射率隨金屬的電導率增加而增加,隨電磁波頻率增加而降低。吸收的原理,打個比方,相當於電磁波入射到導體後,導體的自由電子跟電磁波打太極(極化),因此電磁波的能量變成了自由電子的熱運動,損失掉了。但天下武功,唯快不破,只要電磁波振蕩速度夠快(頻率夠高),金屬的自由電子就追不上,於是電磁波就能透過金屬了。

而半導體(跟絕緣體類似),有個能帶間隙的概念(固體物理快忘光了,強行胡扯一發),能帶間隙是說,在這個能量範圍以內,不允許有電子態出現。也就是說,低能態的電子,如果不能吸收到超過能帶間隙寬度的光子而躍遷到更高的能態,那這些低能電子就只能繼續低能著。所以,能量小於能帶間隙的光子,可以自由穿過,而不被電子吸收。所以,到這裡,又變成了頻率越低(能量越低)的光子(電磁波)越容易穿過。比如,可見光(500nm波長)的光子能量大概是2.5eV,而鑽石的能帶間隙是5eV,所以鑽石對可見光是透明的。而單晶硅的能帶間隙是1.1eV左右,比可見光的能量小,所以單晶硅對可見光是不透明的。這也是為什麼太赫茲、毫米波雷達等可用於人體安檢(咦,怎麼跑到另一個問題去了?),因為人體是導體,檢測目標(金屬刀具等)也是導體,能吸收微波(比如微波爐實際就是讓食物中的水份吸收微波),而人身上穿的衣服一般都是絕緣體或者半導體,對微波(光子能量一般小於1meV)是透明的。


關於電磁波穿牆性能究竟如何,現有的很多答案都想當然了,實際上這項工作研究雷達的人做過很多,有人專門在微波暗室里建牆去測,以減少衍射的影響。

關於測量結果貼個表吧

如果牆體里有鋼筋,具體分析起來的話,和鋼筋的直徑與電磁波波長的比例有關,很複雜的。

以上圖片均來自Through the Wall Radar Imaging一書,這本書匯總了很多類似的工作。


你們就沒人算一下可見光的頻率嗎?以波長最長的紅光為例,700納米波長的紅色光頻率=3*10^8/(700*10^-9)=4.3*10^14。

5G wifi頻率也就5*10^9,可見光頻率比WiFi高10萬倍。


實際上能夠穿牆的電磁波頻率一般遠高於或遠低於可見光,低頻電磁波能穿牆主要是由於光的波動性,即衍射效應,而高頻電磁波則是另外原因。要理解極高頻電磁波如軟x射線穿牆你可以看一下郭碩宏書中介質色散的推導,極高頻電磁波能穿牆的原因是它的頻率已經遠遠大於物質的共振頻率,意味著極化電荷根本不能響應這麼快變化的電磁場,物質基本上不會和電磁場相互作用,相當於透明。WiFi能穿牆是由於其頻率太低波長太大,可見光不能穿牆是由於它與牆內物質共振頻率相當,相互作用強烈,實際上我們所有能看到的物質共振頻率都和可見光頻率接近,而由於衍射效應只有在障礙物尺寸接近或小于波長才顯著,因此宏觀物體,比如牆,所造成的衍射效應在可見光幾乎很微弱。


電磁場與微波技術專業水碩怒答!

先拋出觀點,wifi信號「穿牆」是衍射和透射的共同效應。我主要從我所學的〈宏觀電磁波而非原子物理層面〉說一說透射作用。

電磁波傳播特性完全由傳輸媒質的電參數也就是介電常數、磁導率、電導率決定,也就是說不論是硬的像牆還是摸不著的空氣,不同媒質對電磁波而言僅僅是電參數不同而已~電磁波從空氣穿過牆整個過程可以分為:1.從空氣入射到牆體,產生反射波與透射波,可用菲涅耳公式分析,2.透射波部分在牆體中傳播併產生衰減,3.傳播到牆另一端的透射波在牆體與另一邊空氣的交界面再次產生透射與反射,此透射波就是穿過牆的部分。

當然實際牆體應該考慮成多層媒質,電磁波會有多次反射與透射;牆體電導率會是一個比較小的值,以及牆體中混有的鋼筋,這些會帶來傳輸衰減;入射電磁波相對於入射面的極化方式也會影響到交界面的反射率和透射率。

wifi2.4ghz電磁波對普通牆體穿透能力應該不算弱,工程上認為衰減大致在10dB左右,也就是穿透能量可以達到入射能量10%。在門窗緊閉的房間用無線路由器,我估計其他房間接受的信號中來自穿透牆的要佔主要部分~

在一定頻段內,電磁波在媒質傳播的衰減係數是隨頻率增大而增大的(但是不會隨頻率無限增大,會逐漸趨於穩定,電導率越大的媒質出現拐點的頻率會越高)。

而可見光頻率太高,波長短,這個頻段不能用經典電磁理論來分析,涉及到量子理論,可見光的衰減可能主要發生在與分子相互作用過程。。而我對這方面不敢妄答。

相關知識可參閱電磁場理論與微波技術任意一本教材的《平面電磁波》部分。水平有限,有錯誤懇請指正~


題主明知故問啊,把你問題里的「為什麼」換成「所以」就對了。什麼!?難道你認為wifi的頻率比太陽光(可見光)高?


樓上各位似乎有認為電磁波不能透射牆壁?

雖然我不是搞工程的,我的回答也未必準確,我來說說關於電磁波透射的問題。

常見的非金屬材料,屬於絕緣體,除了一些吸收波段以外,其實都是基本上透明的。所以,其實磚頭啊水泥啊,組成它們的材料就算是對於可見光的大部分波段也是透明的。

那麼為什麼它們看起來不透明呢?因為這些材料很難做到完全均勻,裡面有大量的微小結構,反覆反射光線和吸收光線的結果,就是光線無法透射。這就是為啥一堆沙子不透明,但用沙子燒成的玻璃是透明的緣故。因為玻璃是均勻的介質。

現在考慮wifi電磁波。wifi電磁波波長少說也有好幾厘米。考慮到wifi電路應該用不起微波電路,那麼起碼也有幾十個厘米。通常材料中不均勻性的尺度和可見光可以相比,但是比wifi電磁波的波長還是要小太多。所以牆壁相對於wifi這樣的電磁波,就是均勻介質。所以它對於wifi來講就是透明的!

這其實是wifi的電磁波對於牆壁中不均勻成分的衍射作用。所以關鍵還是wifi波長長。


「穿」有兩種方式,一種是透,一種是繞。

長波可以像聲音一樣繞過去和透過去。通常我們的Wi-Fi信號都是靠繞的,房間不可能嚴絲合縫,直接透的部分比較少。Wi-Fi也有許多不同的頻段,為了帶寬使用高頻段(5G)就得犧牲穿牆性,2.4G的穿牆能力就好很多,而到900M牆就完全不是問題了。之前我們隔壁微波實驗室做的一個課題就是用微波來探測牆內物體,靠的就是透。這方面技術和美國還差很遠,他們可以做到用微波成像,我們還只能檢測出一些微弱的信號。最近國際上也出現了Wi-Fi信號隔牆探測物體的成果。對於波長比較長的電磁波,繞和透並沒有清晰的邊界,它是電磁場在空間的建立,可以用波動方程來描述,空間中的每一點都有漲落。而空間中到底是牆還是什麼物體,隻影響了方程的參數和邊界條件。拿穩定的磁場來示意,一塊磁鐵放在那裡,周圍的空間就會存在磁場。而周圍的物體的存在就會改變磁場分布。把磁鐵放在盒子里,磁場還是瀰漫在整個空間,只是分布不同於前。由於電磁場和物質的電磁力作用,電磁場在物體中建立需要時間和能量。這導致了介質對不同頻率的電磁波響應不同,高頻的穿透性更差。

而短波的穿透性是像刺刀一樣穿進去,靠得是高頻粒子效應強,能量高。其特性可以靠粒子理論來解釋。電磁波能不能通過介質受很多因素影響。比如波長剛好在介質電子的某個能級上,可能就被吸收了。再比如介面波長尺度的空間結構,也會造成影響。抑或介質是導體,電磁波又轉化成電流耗損了。

太陽光這種不長不短的就沒法這樣穿過去了。但他們都還有一種辦法,叫做反射。像是沒窗的廁所,開個門就亮了。這種自然光也是夠傳遞信號的。


前半句話「電磁波頻率越高穿透越強」,本身前提條件就是不對的。

我們傳統意義上的穿牆是設計到透射、繞射跟衍射的,就單純的透射來說,我們假設牆是良導體(雖然這個假設有點太籠統),電磁波的趨膚深度為: sqrt{frac{2}{omegamudelta}} ,其中 omega 為角頻率, omega=2pi f ,頻率越高,趨膚深度越小,也就是所謂的穿透能力。


天線的尺寸跟電磁波的半波長差不多時吸收最強(就是共振),尺寸大點或者小點偏差越大吸收越弱。

牆壁的分子原子振動起來就是一根根天線,把太陽光的信號都吸收了。而對於Wi-Fi信號因為波長太長,這些分子天線太短了收的信號很弱,剩下的就透過去了,所以wifi信號是頻率越大穿牆能力越弱。當然牆壁厚的話吸收也很強,這要看劑量。另外導體因為存在自由電子,自由電子動起來只受導體尺寸限制,所以導體能吸收的電磁波非常寬。

但是很多牆壁有鋼筋,還有防盜網什麼的,鋼筋的尺寸能吸收波長跟他尺寸差不多的電磁波,這樣波長小頻率大的一些電磁波反而容易穿透。

補充,有幾位說還有牆壁物質不純或者不連續對輻射影響很大的因素,這確實是重要的因素。也同樣可以把分子原子看成天線來解釋。對於不純或者不連續的物質,其分子原子天線的振動尺度種類多樣,所以能吸收電磁波信號的範圍也更大。比如物體表面,因為表面的分子受到的力跟物質內部受到的力不一樣,所以分子振動的幅度不一樣,所以物體表面跟物體內部吸收的波長不一樣。不均勻的物質,不均勻的部分分子振動幅度也不一樣。


你自己說了越低頻「穿透」力越強啊~THz波跟GHz波你說哪個強?


這和你要穿透的材料有關係。如果它不和這種頻率的光子相互作用,或者作用很弱,你就能穿。

最簡單的例子比如有色玻璃。


這是高中電磁波和聲學的基礎知識。

wifi電磁波「穿牆」的原理和聲波類似,不是真的穿透了,而是繞過去了。也就是波的衍射。

一般電磁波波長越長(頻率越低),可以傳播得越遠,其「穿越」能力也就越強。wifi和聲波的波長比陽光的波長長多了。

至於你會出現這種誤解,估計是受了伽馬刀(它可以日穿鋼板)、X光之類的影響,這類粒子才是正真的「穿透」能力強。不過它們的穿透和wifi、聲波的穿透(穿越)原理不一樣。

可見光的波長介於它們之間,因此它的穿透或穿越能力不尷不尬的。


穿透的定義不一樣。

你知道長波電台 中波 短波還有城市FM各種電台的覆蓋範圍么?


嚇死我了,都是哪來的各路專家在強答?

說是穿牆,真以為是穿牆啊?還圍繞穿牆各種強行解釋?

我在客廳說話你在廚房就能聽見,這是穿牆不?聲波會衍射啊,繞過障礙繼續傳播。如圖所示。

當有障礙,障礙上有小孔的時候,波會通過小孔並向各個方向傳播。房間之間有門,聲波通過門的時候也是這樣,從而充滿整個房間。

wifi信號也是啊,它是電磁波,也會發生衍射,書房裡的wifi信號通過門衍射充滿整個客廳,客廳里的波又通過門衍射充滿整個卧室。所以說它會「穿牆」。

光其實也會衍射。只不過可見光這種電磁波頻率達到10的5次方GHz,是wifi信號的十萬倍,波長就短十萬倍。對光信號來說,波長越長其波動性就越強,衍射能力越強。光也會衍射,只不過相比比較弱而已。如圖所示。

所以,光就給人一種不能不能「穿牆」的感覺。by the way,當通信技術越來越發展,信號頻率越來越高的時候,信號的波會越來越表現出光的特徵,即衍射能力減弱,直線傳播特性增強,到那時候打電話就要對準基站啦,路人一經過就會出現擋信號的現象。


因為wifi並沒有穿牆,它只是從門縫,窗縫繞過去了。你把你家路由器用水泥封起來,看你還能不能收到信號


蛤,可見光頻率在380~790THz,WiFi一般在2.4GHz,你說哪個頻率高,頻率越低穿透越強,這可是你說的


可見光能穿過去的,我們叫透明材料。


不同材料對電磁波的透過頻率不同導致的吧。

這麼說其實所有的材料都是濾色片……

就像軍訓時候住宿的板房對可見光透過率很低,但是對紅外的透過率高,所以房間里黑漆漆的還熱的要死。


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