辐射与防辐射

锁相 2019-11-2011:00:10 评论 438 views

《波的科普》系列文章之(三)

辐射,指的是电磁波的空间传播。前文已经介绍过,电磁波并不神秘,是日常生活中常见且为人们所熟悉的事物,例如太阳光和无线电波;电磁波与其他事物产生相互作用也是需要条件的,没必要无缘由地对其产生恐惧。

本文将讨论如何隔离电磁波,如何防辐射,并解释为何孕妇不需要穿着防辐射服,为何电脑跟前不需要放一盆仙人掌等问题。这里屏蔽室等实例所针对的电磁波,是指频率低于可见光的电磁波,也就是大家平时盲目担心的“辐射”,X射线等高频电磁波对人体的影响详见前文所述。

辐射与防辐射

  宇宙间充满了辐射

电磁场的物质性

电磁波,是由交变的电场和磁场形成,电场和磁场是物质的一种形态,不是物理工作者为了表达方便虚构出来的概念。电磁场携带有能量、动量和角动量,就 跟普通的物体一样。电磁场携带能量很好理解;磁场携带动量可以由1901年的光压实验证明,那个实验发现了光对一个平面也能产生压力;电磁场携带角动量的 实验可以通过观测一个同轴夹层电容器在磁场中放电后的旋转实现。同大家所理解的物质一样,电磁场不会凭空产生,也不会凭空消失,它可以分布在空间各个角 落。如果电磁场不随时间变化,空间中能量分布不随时间改变,就是静电场、静磁场;如果电磁场随时间变化,将能量有规律地传向别处,就是电磁波。仙人掌对电 磁波空间分布的影响,就跟水中的石头不会影响半米外水的密度分布一样。仙人掌防电脑辐射的能力,跟猪蹄防电脑辐射的能力一样。

如何隔离电磁场

静电场的屏蔽称为静电屏蔽。许多精密仪器的外壳是金属的,这是因为当导体壳静电平衡并且壳内无带电体时,电荷只分布在壳体上,并且导体壳内部处处无 电场。在实践中,一个非封闭的金属网就可以很好地实现静电屏蔽。静磁场的屏蔽称为静磁屏蔽。静磁屏蔽则困难很多,需要用封闭的高磁导率材料做成封闭腔体。 电磁场的屏蔽跟前两者不太一样,它屏蔽的不是一个“场”的分布,而是传播,它的基本原理是让电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减,即能量损耗。这种损耗可以分成 两个部分:反射损耗和吸收损耗。

当电磁波入射到不同媒质的分界面时会发生反射,穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗。电磁波在屏蔽材料中传播 时,一部分能量转化为热量,损失的这部分能量称为吸收损耗。屏蔽层总是两个面,所以反射损耗会发生两次,并且多次反射还将增加电磁波在屏蔽层内部的行进距 离,增加吸收耗散。如果想要防辐射,就需要增加这两个耗散。反射耗散的问题比较复杂,以人体为例,太阳光会在皮肤上反射,但是X射线可以穿过人体。见以下 示意图,不同材料、不同频率下的情况不一样。吸收耗散要求高磁化率、高电导率、屏蔽层厚度大。通常屏蔽层是使用高磁化率的材料。

辐射与防辐射

        图中纵轴为反射率,横轴为频率,依照一个简化了模型模拟。对于同样的材料遇到不同频率的电磁波,根据频率增加,材料对于电磁波先是可以穿透(T),吸收(A),反射(R),再可以穿透(T)。

高精度实验室使用的电磁屏蔽室有拼装式和焊接式,不管怎么设计,被电磁屏蔽的对象一定是完全环绕在内的。如下图所示,波遇到障碍物时,将偏离直线传 播,这种现象称为波的衍射。高频电磁波的波长很容易到达微米级别,如果屏蔽层有肉眼可见的隙缝,那么高频的电磁波能轻易将其穿过。下图中的屏蔽室为了操作 方便,设有出入门,该门需要与壳体有很好的连接,一般在门或门框上采用特定结构加入金属簧片、内置海绵芯的金属丝网条等有弹性的导电材料。对于手机信号, 好的屏蔽室能衰减十万倍的能量强度。

辐射与防辐射

电磁屏蔽室

关于防辐射服

首先,衣服有穿有脱,不能完全封闭,而空间中的电磁波可能来自四面八方,便能从衣服的空隙中自由进出;其次,市面上的“防辐射”服就一层薄铜网,无法有效隔离电磁波,即使不考虑封闭性的问题,要想防辐射,至少也得一层几毫米厚的金属板,前后两片,共二十斤,顺便防子弹。

最后,给迷信防辐射服有效果的人们两种可能性:

如果防辐射服真的有屏蔽效果,则可能让本来从脖颈处斜入射,然后穿体而过的电磁辐射在人体内反复穿行;

防辐射服跟人体的生物电耦合,形成了一个天线,有效地接收空间中的电磁波。

以上两种可能的正确性有待检验,但这种推理至少比现在市面上防辐射服的原理靠谱。

锁相

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