电磁波频率越高穿透越强，那为什么 Wi-Fi 可以穿墙，太阳光却不能？

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:59

前半句话“电磁波频率越高穿透越强”，本身前提条件就是不对的。
我们传统意义上的穿墙是设计到透射、绕射跟衍射的，就单纯的透射来说，我们假设墙是良导体（虽然这个假设有点太笼统），电磁波的趋肤深度为：
，其中
为角频率，
,频率越高，趋肤深度越小，也就是所谓的穿透能力。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:58

题主明知故问啊，把你问题里的“为什么”换成“所以”就对了。什么！？难道你认为wifi的频率比太阳光（可见光）高？

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:57

电磁场与微波技术专业水硕怒答！
先抛出观点，wifi信号“穿墙”是衍射和透射的共同效应。我主要从我所学的〈宏观电磁波而非原子物理层面〉说一说透射作用。
电磁波传播特性完全由传输媒质的电参数也就是介电常数、磁导率、电导率决定，也就是说不论是硬的像墙还是摸不着的空气，不同媒质对电磁波而言仅仅是电参数不同而已～电磁波从空气穿过墙整个过程可以分为：1.从空气入射到墙体，产生反射波与透射波，可用菲涅耳公式分析，2.透射波部分在墙体中传播并产生衰减，3.传播到墙另一端的透射波在墙体与另一边空气的交界面再次产生透射与反射，此透射波就是穿过墙的部分。
当然实际墙体应该考虑成多层媒质，电磁波会有多次反射与透射；墙体电导率会是一个比较小的值，以及墙体中混有的钢筋，这些会带来传输衰减；入射电磁波相对于入射面的极化方式也会影响到交界面的反射率和透射率。
wifi2.4ghz电磁波对普通墙体穿透能力应该不算弱，工程上认为衰减大致在10dB左右，也就是穿透能量可以达到入射能量10%。在门窗紧闭的房间用无线路由器，我估计其他房间接受的信号中来自穿透墙的要占主要部分～
在一定频段内，电磁波在媒质传播的衰减系数是随频率增大而增大的（但是不会随频率无限增大，会逐渐趋于稳定，电导率越大的媒质出现拐点的频率会越高）。
而可见光频率太高，波长短，这个频段不能用经典电磁理论来分析，涉及到量子理论，可见光的衰减可能主要发生在与分子相互作用过程。。而我对这方面不敢妄答。
相关知识可参阅电磁场理论与微波技术任意一本教材的《平面电磁波》部分。水平有限，有错误恳请指正～

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:56

实际上能够穿墙的电磁波频率一般远高于或远低于可见光，低频电磁波能穿墙主要是由于光的波动性，即衍射效应，而高频电磁波则是另外原因。要理解极高频电磁波如软x射线穿墙你可以看一下郭硕宏书中介质色散的推导，极高频电磁波能穿墙的原因是它的频率已经远远大于物质的共振频率，意味着极化电荷根本不能响应这么快变化的电磁场，物质基本上不会和电磁场相互作用，相当于透明。WiFi能穿墙是由于其频率太低波长太大，可见光不能穿墙是由于它与墙内物质共振频率相当，相互作用强烈，实际上我们所有能看到的物质共振频率都和可见光频率接近，而由于衍射效应只有在障碍物尺寸接近或小于波长才显著，因此宏观物体，比如墙，所造成的衍射效应在可见光几乎很微弱。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:55

楼上各位似乎有认为电磁波不能透射墙壁？
虽然我不是搞工程的，我的回答也未必准确，我来说说关于电磁波透射的问题。
常见的非金属材料，属于绝缘体，除了一些吸收波段以外，其实都是基本上透明的。所以，其实砖头啊水泥啊，组成它们的材料就算是对于可见光的大部分波段也是透明的。
那么为什么它们看起来不透明呢？因为这些材料很难做到完全均匀，里面有大量的微小结构，反复反射光线和吸收光线的结果，就是光线无法透射。这就是为啥一堆沙子不透明，但用沙子烧成的玻璃是透明的缘故。因为玻璃是均匀的介质。
现在考虑wifi电磁波。wifi电磁波波长少说也有好几厘米。考虑到wifi电路应该用不起微波电路，那么起码也有几十个厘米。通常材料中不均匀性的尺度和可见光可以相比，但是比wifi电磁波的波长还是要小太多。所以墙壁相对于wifi这样的电磁波，就是均匀介质。所以它对于wifi来讲就是透明的！
这其实是wifi的电磁波对于墙壁中不均匀成分的衍射作用。所以关键还是wifi波长长。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:54

你们就没人算一下可见光的频率吗？以波长最长的红光为例，700纳米波长的红色光频率=3*10^8／（700*10^-9)=4.3*10^14。
5G wifi频率也就5*10^9,可见光频率比WiFi高10万倍。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:53

“穿”有两种方式，一种是透，一种是绕。
长波可以像声音一样绕过去和透过去。通常我们的Wi-Fi信号都是靠绕的，房间不可能严丝合缝，直接透的部分比较少。Wi-Fi也有许多不同的频段，为了带宽使用高频段（5G）就得牺牲穿墙性，2.4G的穿墙能力就好很多，而到900M墙就完全不是问题了。之前我们隔壁微波实验室做的一个课题就是用微波来探测墙内物体，靠的就是透。这方面技术和美国还差很远，他们可以做到用微波成像，我们还只能检测出一些微弱的信号。最近国际上也出现了Wi-Fi信号隔墙探测物体的成果。对于波长比较长的电磁波，绕和透并没有清晰的边界，它是电磁场在空间的建立，可以用波动方程来描述，空间中的每一点都有涨落。而空间中到底是墙还是什么物体，只影响了方程的参数和边界条件。拿稳定的磁场来示意，一块磁铁放在那里，周围的空间就会存在磁场。而周围的物体的存在就会改变磁场分布。把磁铁放在盒子里，磁场还是弥漫在整个空间，只是分布不同于前。由于电磁场和物质的电磁力作用，电磁场在物体中建立需要时间和能量。这导致了介质对不同频率的电磁波响应不同，高频的穿透性更差。
而短波的穿透性是像刺刀一样穿进去，靠得是高频粒子效应强，能量高。其特性可以靠粒子理论来解释。电磁波能不能通过介质受很多因素影响。比如波长刚好在介质电子的某个能级上，可能就被吸收了。再比如介面波长尺度的空间结构，也会造成影响。抑或介质是导体，电磁波又转化成电流耗损了。
太阳光这种不长不短的就没法这样穿过去了。但他们都还有一种办法，叫做反射。像是没窗的厕所，开个门就亮了。这种自然光也是够传递信号的。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:52

关于电磁波穿墙性能究竟如何，现有的很多答案都想当然了，实际上这项工作研究雷达的人做过很多，有人专门在微波暗室里建墙去测，以减少衍射的影响。

关于测量结果贴个表吧

如果墙体里有钢筋，具体分析起来的话，和钢筋的直径与电磁波波长的比例有关，很复杂的。
以上图片均来自Through the Wall Radar Imaging一书，这本书汇总了很多类似的工作。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:51

问题前半句不成立。
电磁波的“穿透力”与频率之间并不是简单的单调递增或者递减关系。

后面的现象也不确切。wifi也不是穿墙，有透过率，也有衍射。阳光的问题是透过率十分低，一般的墙壁反照率也不够高，反射几次就吸收完了。把阳光换成伽马射线试试，穿金属板能力比wifi强。

评论区有知友呼唤详细些，那我试试详细些。其他答主把衍射和反射的事情讲的比较多了，我就光说透射吧。这也是跟题主问的“穿透力”字面上最接近的。
建筑材料说来说去，可概括为金属和半导体。金属对电磁波的作用有反射和吸收。反射率随金属的电导率增加而增加，随电磁波频率增加而降低。吸收的原理，打个比方，相当于电磁波入射到导体后，导体的自由电子跟电磁波打太极（极化），因此电磁波的能量变成了自由电子的热运动，损失掉了。但天下武功，唯快不破，只要电磁波振荡速度够快（频率够高），金属的自由电子就追不上，于是电磁波就能透过金属了。
而半导体（跟绝缘体类似），有个能带间隙的概念（固体物理快忘光了，强行胡扯一发），能带间隙是说，在这个能量范围以内，不允许有电子态出现。也就是说，低能态的电子，如果不能吸收到超过能带间隙宽度的光子而跃迁到更高的能态，那这些低能电子就只能继续低能着。所以，能量小于能带间隙的光子，可以自由穿过，而不被电子吸收。所以，到这里，又变成了频率越低（能量越低）的光子（电磁波）越容易穿过。比如，可见光（500nm波长）的光子能量大概是2.5eV，而钻石的能带间隙是5eV，所以钻石对可见光是透明的。而单晶硅的能带间隙是1.1eV左右，比可见光的能量小，所以单晶硅对可见光是不透明的。这也是为什么太赫兹、毫米波雷达等可用于人体安检（咦，怎么跑到另一个问题去了？），因为人体是导体，检测目标（金属刀具等）也是导体，能吸收微波（比如微波炉实际就是让食物中的水份吸收微波），而人身上穿的衣服一般都是绝缘体或者半导体，对微波（光子能量一般小于1meV）是透明的。

热心的小回应 · 2021-1-5 08:35:50

这个事情，首先我要说，随便编辑问题是要做什么，最开始提问的人认为频率越高穿透力越强，后来被人改成了频率越低穿透力越强，然后还有人在问题描述里嘲讽，你们搞不明白问题的评论区是做什么用的吗，这本来是一个不错的问题的，为什么你们要动不动就摆出自己比提问者优越的嘴脸。

回到问题，电磁波能否透过这是个非常复杂的问题，既不是频率越高越容易透过，也不是频率越低越容易透过，光透不过墙，但是光可以轻松透过玻璃。高频率的电磁波跟低频率的电磁波在很多方面也有完全不同的特性。
电磁波要透过一个物体的第一关是物体表面，电磁波在介质中和介质外的传播速度是不一样的，对于经典电磁理论来说，这个传播速度主要取决于介质的介电特性和介磁特性，造成这一现象的原理是电磁场连续的条件，可以描述的公式是菲涅耳公式，当然这些都不想去了解的话，通俗来说，电磁波要从介质外传播到介质内，需要用外面的电场和磁场感应出介质里面的电场和磁场。对于理想导体来说这第一步就已经完蛋了，因为导电特性非常好，电场在理想导体内部永远为0，所以无法在理想导体内部产生电磁波，界面上就全部反射了回去。我们可以看到金属不管是对电磁波还是对光都有很好的反射的作用。对于其他介质来说，波速不同会让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，所以经过表面就已经衰减掉一部分了，如果是斜射，那么就更复杂一些。

第二步是在介质内传播的问题，先考虑均匀的介质，良导体我们刚才已经排除掉了，那么基本可以粗略分成绝缘体和有电阻率的导体。玻璃这样的材料可以看作是比较理想的绝缘体，电磁波在绝缘体当中传播是比较顺畅的，吸收率很低，所以玻璃就显得透明。许多其他晶体，比如食盐晶体，冰糖，纯净的水结成的冰，都有比较高的透明度。电磁波在这类介质当中可以损耗比较小地传播。光纤的透明度可以将光传播数千米而没有明显损耗。

电磁波在有电阻率的导体中传播的问题可以通过麦克斯韦方程组来计算，但我知道大部分人既不愿意去学什么是麦克斯韦方程组，也不愿意去算，那么粗略来说，电磁波是电场和磁场的传播，波峰和波谷是电场的两个极值，那么电磁波的频率越高，波长就越短，波峰和波谷就越近，介质某一点附近电场的差异就越大，相应电流也就越大，所以损耗在介质里面的能量就越多。所以在有电阻率的导体中，频率越高的电磁波衰减得越快，也可以说是“透明度”越低。在水中，低频率的电磁波可以传播得很远，超长波甚至可以用来跟潜艇通信，而高频率的电磁波会马上衰减，海水也变得不透明，差不多就是这个原理。我们平时遇到的墙这样的材料，还有大地，还有许多其他的材料，都应当看作是电阻率很大的导体，因此比较低频率的电磁波可以透过，高频率的其实是被吸收了，所以我们既看不到光从这些材料里透过去，也看不到光从这些表面上产生高强度的反射。我们前面讨论过绝缘体的问题，实际上绝对理想的绝缘体也不存在，因此即使是透明的介质，多多少少也会有一些吸收率。

对于不均匀的介质，这个问题又变复杂了，电磁波在不均匀的介质中会产生复杂的反射、折射、衍射、散射，导致传播方向反复变化，那么就不一定还能够从正确的位置穿出了，可能由于传播距离过长而被吸收。比如说玻璃透明度很好，但是碎玻璃、磨砂玻璃就不怎么透明了，食盐晶体透明度很好，但变成食盐粉末就不透明了。由于反射、折射、衍射、散射全部都跟电磁波的频率有关，因此不同频率的电磁波表现也完全不同。如果不均匀的颗粒比较小的话，那么对于低频率的电磁波来说由于不均匀性远小于波长尺度，整体上还是比较均匀的，基本仍然能按均匀的方式传播，而对于高频率的电磁波来说，不均匀的干扰就很明显了。而墙也显然是非常不均匀的介质。

接下来当电磁波频率提高的时候，又产生了额外的现象，就是频率选择吸收的现象，它是电磁波跟分子、原子直接作用的效果，一般到微波以上（包括可见光）的时候会出现。构成物质分子的化学键，可以看成是原子之间通过共享一对电子形成的相互作用，这一对电子有比较固定的电子云形状，像一根弹簧一样将原子保持在合适的距离上，当分子有热运动的时候，原子会在这个化学键上进行振动，这个振动就跟弹簧振子一样，有特定的频率。当相同频率的电磁波入射的时候，会和化学键上的电子有相互作用，形成共振，从而大幅度吸收了电磁波的能量，这个选择性对于频率很敏感，高了也不行，低了也不行，只在比较窄的一个峰上面吸收。从量子力学的角度，也可以说是构成化学键的电子有基态和激发态，只有吸收特征频率的电磁波才能从基态跃迁到激发态。2.4GHz的电磁波差不多是O-H也就是氢氧键的特征频率，所以微波炉可以加热水和食物（食物中一般都含有-OH的羟基结构），但对于塑料（主要是C-H的化学键）几乎就是透明的，可以透过塑料饭盒。
（更正：经过仔细核实这部分是有误的，吸收谱的频率并不在2.4GHz的范围，而是在远远更高的红外范围。微波炉的电磁波吸收应该用电偶极子来解释。）
对于可见光来说也一样，可见光频率更高，可能会直接跟原子（包括离子）的外层电子作用，让电子跃迁到更高的轨道，从而吸收这种频率的光，所以某些宝石会有非常漂亮的颜色，用光透过某些物质然后用分光计观看，会有吸收谱。

对于频率更高的电磁波，经典的电动力学不能完全成立了，单个光子携带的能量很高，需要考虑到光子的能量只能一整份一整份吸收的问题，所以高能X射线、gamma射线的穿透力很强，前面对于介质表面和介质内的讨论不能完全成立。到这个范围就不是我所学所能描述的了。

以上仅限于我所学的一些粗浅知识，实际上对于不同材料还有更多的复杂特性，也不断有新的发现。所以说，电磁波能否透过是一个非常复杂的问题，并不是说频率越高就越容易透过，也不是越低就越容易透过，而是需要具体问题具体分析的。

电磁波频率越高穿透越强，那为什么 Wi-Fi 可以穿墙，太阳光却不能？

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