电磁波的频率与穿透、绕射能力的关系

电磁波的频率与穿透、绕射能力的关系

电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场，在空间中传播的震荡粒子波，就是电磁波。

太阳光，就是电磁波的一种可见的辐射形态。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，都是电磁波。它们的主要区别，就是频率不同。

电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

水波、声波不是电磁波，而是机械波。需要实体介质，一个点上下运动，带动下一个点运动，形成了波。

基本概念

电磁波波长λ=c/f(c是光速，λ是波长，f是电磁波频率)

• 频率越低，波长越长，绕射能力越强
• 频率越高，波长越短，绕射能力越差

电磁波能量E=hv(E是能量，h是普朗克常数，v是频率)

• 频率越高电磁波的能量就越强
• 频率越低电磁波的能量就越弱

1. 真空传输，能量没有损失。
2. 频率越低则波段越长，分子原子不容易获取能量，所以更不容易丢失能量，具体表现就是绕射能力越强。
3. 频率越高则波段越小，越接近分子原子半径，则更容易能量转移，具备穿透的能力就越强，但实际介质的导电性质，又导致频率高，能量在介质中损耗就大的情况。
4. 空气环境中空气分子原子密度不够，因此更易于绕射，而不易于穿透
5. 固体环境分子原子密度大，便于能量转移给分子原子，更多考虑的是穿透

想要了解穿透，需要了解几个基本概念

• 固态介质，涉及导电系数/电阻率以及介质的分子大小
• 理想导体是指电阻系数为0，比如超导体，是不具备穿透属性的。
• 绝缘体是电阻系数为无穷大的介质，能量不被吸收，可以很好的穿透。
• 现实环境中不存在理想导体和存粹绝缘体，穿透总是要涉及能量吸收损耗

所以能否穿透要考虑几个方面：

1. 电磁波能量是否能转移到介质的分子原子
2. 介质本身的导电性导致的能量损耗

当然还有一种极端的情况就是电磁波在很高的频率情况下，由于波长很小，可以利用介质的分子原子间的空隙穿过，比如X射线和r射线.

关于水/液体对电磁波影响

• 任何无线电信号都会被水大量吸收， 除了一种：超长波。所以潜艇往往在后面拖着上千米的天线用超长波通信。
• 水分子的谐振频率，水对2.4g信号的吸收要强于对其他频率。

这里是液态水的吸收光谱，只有可见光部分不怎么吸收，其他部分都是大量吸收的。我们依旧可以看到，整个图片有个尖角，在蓝色和绿色部分，也就是说明蓝色和绿色频段的电磁波是最不容易被水吸收的，这也就解释了为什么海水是蓝色的！（因为不被吸收，被反射了，这样就能进入人眼了）

这是GHz的水吸收光谱，黑色的竖线是2.4GHz 所在的位置，维基百科是这么解释的：’Liquid water has a broad absorption spectrum in the microwave region, which has been explained in terms of changes in the hydrogen bond network giving rise to a broad, featureless, microwave spectrum.[24]The absorption (equivalent to dielectric loss) is used in microwave ovens to heat food that contains water molecules. A frequency of 2.45 GHz, wavelength 122 mm, is commonly used.

电磁波信号如何才能传播更远？

电磁波的传播，有以下几种机制：直射、反射、折射和衍射（绕射）。

衍射，指的是波（如光波）遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。也就是说，电磁波具备“绕开”障碍物的能力。波长越长（大于障碍物尺寸），波动性越明显，越容易发生衍射现象。

穿透步骤：

第 一步，是障碍物表面。

电磁波从空气到障碍物，需要感应出介质里面的电场和磁场。

电磁波在不同介质的传播速度，取决于介质（障碍物）的介电特性和介磁特性。

如果介质是理想导体，导电性能特别好，就不能产生电场，所有的电磁波都会反射回去。

对于非理想导体，电磁波在表面上分成折射和反射的两部分。两部分的比例跟波速、入射角有关，而波速又跟频率有关。

所以，经过介质表面时，电磁波信号就已经衰减掉一部分了。

第二步，电磁波折射的一部分终于进入介质内部。

大部分介质不是理想导体，而是绝缘体或者有不同电阻率值的导体。

介质分为均匀介质和不均匀介质。

电磁波在绝缘体中的传播较为顺畅。像玻璃，就是一种非常典型的绝缘体。

光线在玻璃中传播时，吸收率很低，所以玻璃看着就很透明。

还有典型的就是光纤。光在光纤中，可以传输几十公里。

绝缘体的种类很多，固体的如塑料、橡胶、玻璃，陶瓷等；液体的如各种天然矿物油、硅油、三氯联苯等；气体的如空气、二氧化碳、六氟化硫等。

当电磁波频率越高，则波长越短，波峰和波谷离得越近，介质某一点附近电场的差异就越大，相应电流就越大，所以损耗在介质里的能量就越多。

相同电阻率的导体中，频率越高的电磁波，衰减得就越快。

潜艇都是使用长波或超长波进行通信。频率很低，在水中的衰减会小。

电磁波在不均匀介质中传播，等于是在不同介质之间反复地发生折射、反射、衍射。传播的路径更加复杂，最终射出的方向也非常复杂。过长的路径，也会带来更大的衰减（损耗）。

典型的例子是墙面，不管是钢筋混凝土墙面，还是砖砌墙面，都是不均匀介质，电磁波传播过程中，就有不同程度的衰减。

第三步，从介质到空气，又是一波折射和反射。

频率越高的电磁波，穿透障碍物的能力越弱

为什么高能射线例如X射线频率那么高，穿透力却很强呢？

X射线除了频率高之外，还有一个特性，那就是能量极强。X射线照在介质上时，仅一小部分被介质的原子“挡住”，大部分经由原子之间的缝隙“穿过”，从而表现出很强的穿透能力.

紫外线穿透性小常识

紫外线是位于日光高能区的不可见光线。依据紫外线自身波长的不同，主要将紫外线分为三个区域。即短波紫外线UVC、中波紫外线UVB和长波紫外线UVA。

长波紫外线(UVA)：

又称为长波黑斑效应紫外线。

• 长波紫外线A光，波长介于315~400纳米
• 它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。
• 可穿透至皮肤真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，导致皮肤晒黑。是出现皱纹及皮肤癌的主因。
• 360nm波长的UVA紫外线符合昆虫类的趋光性反应曲线，可制作诱虫灯。
• 300-420nm波长的UVA紫外线可用于矿石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。

中波紫外线(UVB)：

又称为中波红斑效应紫外线

• 中波紫外线B光，波长介于280~315纳米，
• 中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收
• 日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层所吸收，只有不足2%能到达地球表面
• 对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮。
• 紫外线保健灯、植物生长灯发出的就是使用特殊透紫玻璃(不透过254nm以下的光)和峰值在300nm附近的荧光粉制成。

短波紫外线(UVC)：

• 短波紫外线C光，波长介于100~280纳米
• 穿透能力弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料
• 日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收
• 可被臭氧层所阻隔不会到达地球表面，较不会侵害人体肌肤
• 短波紫外线对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌。
• 紫外线杀菌灯发出的就是UVC短波紫外线。杀菌原理是紫外线易被核蛋白吸收，使DNA的同一条螺旋体上相邻的碱基形成胸腺嘧啶二聚体，从而干拢DNA的复制，导致细菌死亡或变异
• 只能用于消毒物体表面及空气，亦可用于不耐热物品表面消毒。