Frekans (dalga boyu) ile penetrasyon ve kırınım yetenekleri arasındaki ilişki ile ilgili olarak, birisi nihayet netleştirebilir
Birçok kişinin elektromanyetik dalga frekansı (dalga boyu) ile sinyal kapsamı arasındaki ilişki hakkında soruları vardır.
Bazı insanlar elektromanyetik dalgaların frekansı ne kadar yüksekse penetrasyonun o kadar zayıf olduğunu, dolayısıyla kapsama alanının zayıf olduğunu söylüyor. Bazı insanlar soruyor, X ışınları ve and ışınlarının frekansı yüksek, tıbbi fotoğrafçılık ve metal ekipman kusurlarını tespit etmek için kullanılmıyor mu?
Bazı insanlar ayrıca, frekans ne kadar yüksek olursa, nüfuz etme kabiliyeti o kadar zayıf diye sordu Görünen ışığın frekansı cama nüfuz edebilecek kadar neden yüksek olabilir?
Sonuçta, farklı görüşler var ve hiç kimse frekans ile penetrasyon yeteneği arasında nasıl bir ilişki olduğunu bilmiyor.
Bugünkü yazımızda bu konuyu detaylı bir şekilde anlatacağız.
Öncelikle bazı temel kavramları açıklığa kavuşturmalıyız.
Elektromanyetik dalgalar nedir? Elektromanyetik dalgaların sadece ışık dalgaları ve elektrik dalgaları olmadığını, bükülmüş sinüzoidal modellerin elektromanyetik dalgalar olduğunu düşünebilirsiniz.
Elektromanyetik dalga
Kesin konuşmak gerekirse, elektromanyetik dalgalar, dalgalar şeklinde yayılan elektromanyetik alanlardır. Aynı yönde ve birbirine dik olan elektrik ve manyetik alanlar ile uzayda yayılan salınımlı parçacık dalgaları elektromanyetik dalgalardır.
Elektromanyetik dalgaların yayılması ortama bağlı değildir ve bir vakumda bile yayılabilir.
Güneş ışığı, elektromanyetik dalgaların görünür bir radyasyon şeklidir. Radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi ışınlar, görünür ışık, ultraviyole ışınları ve X ışınlarının tümü elektromanyetik dalgalardır. Aralarındaki temel fark frekanstır.
Lütfen su dalgalarının ve ses dalgalarının elektromanyetik dalgalar değil, mekanik dalgalar olduğunu unutmayın. Fiziksel medyaya ihtiyaç duyarlar. Bir nokta yukarı ve aşağı hareket ederek bir sonraki noktayı hareket ettirerek dalgalar oluşturur.
Mekanik dalga
Bu nedenle, lütfen elektromanyetik dalgaların uzayda bükülen sinüs eğrisi olduğunu düşünmeyin!
Elektromanyetik dalgaların pek çok türü ve kullanımı vardır. Iraksamadan kaçınmak için, öncelikle mobil iletişimde elektromanyetik dalga yayılımı tartışmasını sınırlayacağız.
Başka bir deyişle, tartışmaya odaklanacağız: Elektromanyetik sinyal, anten tarafından gönderildikten sonra daha uzağa nasıl iletilebilir?
Elektromanyetik dalgaların yayılması aşağıdaki mekanizmalara sahiptir: doğrudan radyasyon, yansıma ve kırınım (kırınım).
A noktasından B noktasına, herhangi bir engel yoksa, doğrudan bir atıştır. Aralarında sadece hava var.
Gerçek ortam o kadar basit değil, her zaman etrafta bazı engeller olacak, bu yüzden bazı yansımalar olacak. Aralarında hava hala en önemli şey.
Sinyaller üst üste gelecek ve hızlı solmaya neden olacaktır (Rayleigh solması)
Engeller varsa, sorun ortaya çıktı, sinyal nasıl geçmeli?
Yansıtma için çevresel nesneleri kullanmanın yanı sıra, yalnızca iki seçenek vardır, biri kırınım (kırınım) ve diğeri doğrudan nüfuzdur!
Kırınımla ilgili olarak, fizik bilginiz öğretmene iade edilmediyse, "küçük delik görüntüleme" yi hatırlamalısınız?
Kırınım, dalgaların (ışık dalgaları gibi) engellerle karşılaştıklarında orijinal düz çizgiden uzağa yayıldığı fiziksel fenomeni ifade eder. Başka bir deyişle, elektromanyetik dalgalar engelleri "aşma" yeteneğine sahiptir. Dalga boyu ne kadar uzunsa (engelin boyutundan daha büyük), uçuculuk o kadar belirgindir ve kırınımın gerçekleşmesi o kadar kolay olur.
Penetrasyona tekrar bakalım. Buna nüfuz etmek daha zahmetli. 3 süreç içerir.
İlk adım, engel yüzeyidir.
Havadan engellere (yani iletkenlere) gelen elektromanyetik dalgaların, ortamdaki elektrik ve manyetik alanları indüklemek için harici elektrik ve manyetik alanları kullanması gerekir.
Klasik elektromanyetik dalga teorisine dayanarak, elektromanyetik dalgaların farklı ortamlardaki yayılma hızı, ortamın dielektrik ve manyetik özelliklerine (engel) bağlıdır. Ortam ideal bir iletkense ve iletkenlik özellikle iyiyse, ideal iletkenin içindeki elektrik alanı her zaman 0'dır ve elektrik alanı oluşturulamaz.
Bu nedenle, engel ideal bir iletken ise, tüm elektromanyetik dalgalar geri yansıyacaktır.
İdeal olmayan iletkenler için (çoğu ortam), elektromanyetik dalgalar iki kısma ayrılır, kırılır ve yüzeye yansıtılır. İki bölümün oranı dalga hızı ve olay açısı ile ilgilidir ve dalga hızı frekansla ilgilidir. Bu nedenle, ortam yüzeyinden geçerken elektromanyetik dalga sinyali kısmen zayıflatılmıştır.
Pekala, bir sonraki adım ikinci adımdır Elektromanyetik dalga kırılmasının bir kısmı nihayet ortama girer.
Ortam, homojen ortama ve düzensiz ortama bölünmüştür. Önce homojen medyadan bahsedelim.
Çoğu dielektrik ideal veya iyi iletkenler değil, farklı direnç değerlerine sahip izolatörler veya iletkenlerdir.
İzolatördeki elektromanyetik dalgaların yayılması nispeten pürüzsüzdür. Cam gibi çok tipik bir yalıtkandır. Işık cama yayıldığında soğurma oranı çok düşüktür, bu nedenle cam çok şeffaf görünür.
Sofra tuzu kristalleri, kaya şekeri kristalleri ve saf sudan oluşan buz gibi birçok kristal cama benzer.
En tipik olanı optik fiberdir. Işık, optik fiberlerde onlarca kilometre yol kat edebilir.
Fiber çekirdek
Elektromanyetik dalgalar, Maxwell denklemleri kullanılarak hesaplanabilen farklı dirençlere sahip iletkenlerde yayılır. Nasıl hesaplanacağını açıklamayacağım.
Basitçe anlayabiliriz:
Elektromanyetik dalgalar, elektrik ve manyetik alanların yayılmasıdır ve tepe noktaları ve çukurlar, elektrik alanının iki uç değeridir.
Elektromanyetik dalganın frekansı daha yüksek olduğunda, dalga boyu daha kısadır ve zirveler ve çukurlar birbirine daha yakın olduğunda, ortamın belirli bir noktasının yakınındaki elektrik alanındaki fark ve karşılık gelen akım ne kadar büyük olursa, ortamda o kadar fazla enerji kaybı olur.
Bu nedenle, aynı öncül altında, dirençli bir iletkende, elektromanyetik dalganın frekansı ne kadar yüksekse, zayıflama o kadar hızlıdır.
Tipik bir örnek, derin denizdeki bir denizaltıdır. Denizaltılar, kıyı üsleriyle iletişim kurmak için uzun dalgalar veya ultra uzun dalgalar kullanır. Kablosuz sinyalin frekansı çok düşük olduğu için sudaki zayıflama daha küçük olacaktır.
Homojen olmayan medya için bu sorun daha da karmaşıktır.
Elektromanyetik dalgaların tek tip olmayan ortamlarda yayılması, farklı ortamlar arasında tekrarlanan kırılma, yansıma ve kırınıma eşdeğerdir. Yayılma yolu daha karmaşıktır ve son vuruşun yönü de çok karmaşıktır. Çok uzun bir yol da daha fazla zayıflama (kayıp) getirecektir.
Tipik bir örnek duvardır.Betonarme bir duvar veya tuğla duvar, homojen olmayan bir ortamdır.Elektromanyetik dalgaların yayılması sırasında, değişen derecelerde zayıflama vardır.
Ortamdan havaya üçüncü adım, başka bir kırılma ve yansıma dalgasıdır.
Özetle, elektromanyetik dalgaların frekansı ne kadar yüksekse, engelleri geçme kabiliyeti o kadar zayıfsa herkes anlamalı, değil mi?
Evimizde kullanılan Wi-Fi artık hem 2.4GHz bandına hem de 5GHz bandına sahip. Daha önce kullandıysanız, 5 GHz sinyallerin duvar penetrasyon kapasitesinin 2,4 GHz sinyallerden önemli ölçüde daha zayıf olduğunu bilmelisiniz.
Ve dünkü yazımızda bahsettiğimiz milimetre dalgası da aynı. Aynı koşullar altında, engellerden geçen milimetre dalga sinyallerinin zayıflaması, açıkça 6GHz altı sinyallerden daha büyüktür.
Homojen olmayan bir ortamın sinyal zayıflatma derecesinin, ortamın tanecikliği ile de ilişkili olduğunu belirtmek gerekir. Parçacıklar kırılırsa ve parçacıklar çok küçükse, düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar için, dalga boyu parçacık boyutundan çok daha büyük olduğu için, genel elektromanyetik dalga zayıflaması daha küçük olacaktır.
Pek çok insan soracak X ışınları gibi yüksek enerjili ışınlar neden bu kadar yüksek frekansa ama güçlü nüfuz gücüne sahiptir?
Bunun nedenleri karmaşıktır. Basitçe söylemek gerekirse, bu aşırı yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar için klasik elektrodinamik tam olarak kurulamaz.
Bu ne ya?
Şöyle söyleyelim, X ışınlarının yüksek frekansa ek olarak başka bir özelliği daha var, yani son derece güçlüler.
X-ışınları ortama ışınlandığında, ortamın atomları tarafından yalnızca küçük bir kısım "bloke edilir" ve bunların çoğu, atomlar arasındaki boşluklardan "geçirilir", böylece güçlü nüfuz etme yeteneği gösterir.
Öyleyse neden kurşun bloklar gibi ağır metaller X ışınlarını etkili bir şekilde engelleyebilir? Kurşun blok daha yüksek bir atom numarasına, daha yüksek bir yoğunluğa ve daha yakın bir atomik yapıya sahip olduğu için "nüfuz etmek" kolay değildir.
Pekala, bu makale burada bitmek üzere. Elektromanyetik dalgaların dalga boyu ve frekansı ile penetrasyon yeteneği arasındaki ilişkiyi anladınız mı?
Referanslar:
1. https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551 Zhihu, ruh kılıcı
2. https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 Zhihu, büyük bir koala
3. "X-ışını penetrasyonu neden bu kadar güçlü?" , Tahribatsız muayene istasyonu
kaynak: Taze Hünnap Sınıfı
Editör: Quanta Yuan
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. Fizik yasaları size şunu söylüyor: İtiraf çok büyük bir kayıp olabilir ve ayrıldıktan sonra kan kazanmanız gerekir
2. Şok! Dün diktiğiniz süpürge NASA'yı gerçekten endişelendirdi
3. Alkol ve 84 dezenfektan birlikte kullanılabilir mi?
4. Tek kullanımlık tıbbi maskeler nasıl yapılır? Nasıl dezenfekte edilir?
5. Matematik eğlencelidir Bu dev takım, matematik ve fen alanlarında bir grup doktorla birlikte sahayı taradı.
6. "Sıcaklık ölçme tabancası" sıcaklığınızı nasıl ölçer?
7. 0 derece su ile 100 derece su karıştırılarak 50 derece su elde edilebilir mi?
8. İnsanlar neden öpüşmeyi sever?
9. Virüs nereden geliyor?
10. İlk görüşte aşk güvenilir midir?
