电磁波到底能不能穿透金属?
射频学堂 2022-09-26
我们先来讲第一个问题,什么是电磁波? 这个我们做过一个专题《 重走电磁之路 》,电磁波的发现也不过两百年的历史,但是这两百年却彻彻底底改变了我们的生活。我们从《 麦克斯韦方程组 》,讨论到《 麦克斯韦方程组的物理意义 》再到《 电磁波的三要素 》,再到《 如电磁波的极化 》。我们讲述的都是射频范畴的电磁波,也是目前通信系统应用最广泛的电磁波——微波。但其实从广义上讲,电磁波是一种由同相 且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,如下图所示。 电磁波和我们刚介绍的声波有本质的区别,我们在《 声波和电磁波到底有什么区别? 》有过详细介绍。电磁波的传播不需要任何载体。



根据波长的不同,电磁波可以分为:无线电波,红外线,光波,紫外线,X射线和伽马射线。不同的电磁波的频率不同,波长也不同,但是在真空中的传播速度都是光速C=299792458 m/s。 这个就引出了比较热门的几个话题。我们一起讨论一下。
1,电磁波到底能不能穿透金属? 这时候您的答案是什么呢?比紫外线更高频率的X射线和伽马射线就具有穿透金属的能力。X射线是极高能的波,其波长在0.03到3纳米之间-比原子长不了多少,X射线的波长与原子大小相当,当照射到物体上时,一部分能量被吸收,而大部分能量可以穿透原子间隙,具有很强的穿透力。在工业生产中,我们可以用X射线来检查金属焊接的质量。如下图所示。

当然波长更短的伽马射线,其穿透能力更强。可以轻松穿透一般的金属,比如铝。所以通常用几个厘米厚的铅板或者几米厚的混凝土来阻挡。伽马射线通常来自于核辐射,对人体危害极大。


所以,对于波长很短的X射线和Gamma射线,电磁波是可以穿透金属层的。但是我们通信中所用到的无线电波是无法穿透金属层的。 这个一方面是电磁波的边界条件,对于理想导体内部没有电场和时变磁场,其表面没有切向电场和法向的磁场,因此理想导体内部是不存在电磁波的。



2,手摇带电棒能否产生电磁波? 这是来自知乎上的一个问题。电磁波是波动的电磁场,是电磁场能量的传播,并不是电荷的传播。从某种意义上来说,我们摇动带电棒使得电荷发生振动。通过之前对 麦克斯韦方程组 的学习,我们知道,电流产生磁场,磁场的运动产生电场,电场能量和磁场能量相互变换震荡辐射出电磁波。带电棒是否就有电流呢?这是一个未知数,有电流是否就一定能产生磁场呢?有电磁场是否就能辐射出电磁波呢?这里面有一个条件不具备,就无法产生电磁波。但是这里的电磁波是无线电波。如果从广义的电磁波出发,高于绝对零度(0K,即-273.15℃)的物质都可以产生红外线。红外线也是电磁波的一种,无论是手或者带电棒都可以产生红外线,但是这个电磁波的产生和摇不摇没什么关系。热量越高,红外线的强度越大。现在各个场合的红外线测温仪就是用了你身体产生的红外线来测定的。 当然,对于我们射频人来说,我们要研究的电磁波基本上无线电波频段,对于5G通信来说,其应用的无线频率在60GHz以下,而现在用的最多的是6GHz以下的频段。

不同频率,不同波长的电磁波,有不同的应用场景,也有不同的特性,就像我们的眼睛一样,我们只能看到可见光这一个频段的电磁波,对于大部分的电磁波,我们是看不见的。

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