快捷搜索:

微波炉里接电话,有点离谱但别怕| 科到了

 

孙英睿

中国科学院大学2021级硕士研究生

培养单位:中科院物理所

前些日子,有一位朋友问我:“听说微波炉不会泄露辐射,那怎么手机放微波炉里还有信号?”

一瞬间,我茫然了。姑且不说手机究竟会不会有信号,只是手机为什么会出现在微波炉里?

不过,看着他真心发问的眼神,我决定用一篇推(shuǐ)送(wén)来回答这个问题。

按照理论,微波炉的金属外壳和炉门的屏蔽网会把微波屏蔽在炉腔里面,不会泄露。这样一来,用微波做信号的手机就会“与世隔绝”。不过作为一个实验物理人,回答问题的第一步就是要把自己的手机扔进实验室的微波炉。上一个在封闭箱子里面进行的如此离谱的实验,还是薛定谔那只既生又死的猫……我的手机约等于薛定谔的猫,嗯,我就是薛定谔没啥问题吧(手动狗头)。

我邀请了上海和北京的两个朋友对微波炉里的手机进行夺命连环call。第一次,上海朋友的电话打通了,但接通之前占线了很久;不过,打开微波炉门之前4G网络并没有弹出微信消息。占线究竟是物理距离太远还是微波炉屏蔽效果好呢?我们继续了实验。接着,北京朋友打来的电话没能拨通,但5G网络下收到了微信消息……直到这里,我依旧把收到的信号当做实验误差, “微波炉没法屏蔽手机信号”的说法怕不是假的吧?

但是接下来的实验着实打了我的脸。上海的第二次电话以正常速度接通;北京第二次电话接通;北京第三次电话也接通,甚至朋友在微信上特别强调“接通得很快”——嗯,4G信号收到的微信……接着,4G和5G网络下也都收到了上海的微信。看起来,最开始的几次没能正常接通的电话才是实验误差,微波炉的屏蔽门确实不能屏蔽手机信号。

难道是课本上的理论出了错?还是说微波炉其实是我们身边的辐射恶魔?

辐射到底是个啥

故事要从辐射开始讲起。

辐射虽然听起来吓人,但着实不是什么稀奇的东西。辐射只是各种各样的电磁波和粒子流的总称。核反应放出的α射线和β射线固然是一种辐射,但阳光、彩虹(和小白马)也都是辐射,豆浆、油条、茶叶蛋都是辐射源,所有的电磁波——从X射线、紫外线、可见光,到红外线、微波乃至广播台的无线电——也都是辐射。辐射可以大致分成两类:对人有害、尽量少碰的电离辐射,和相对无害、注意即可的电离辐射。电离与非电离辐射的区别在于能否让原子电离,变成原子核(或者原子实)和自由电子。下面这幅图展示了各种电磁波(也就是电磁辐射)的电离能力,红色竖线右侧的都是非电离辐射。

电磁波谱[1]

电离辐射携带的能量很高,可以将原子中安分守己的电子电离,破坏DNA更是轻松。所幸,我们在日常生活中并不会随随便便接触到它。毕竟,它在斗大的三角警告牌下面

在铅屏蔽门后面

被挡得严严实实,根本逃不出来。

相比于电离辐射直接碳挡杀碳氧挡杀氧的强悍本领,非电离辐射要温和得多,它只会改变分子和原子的运动能量,对人的影响主要体现在热效应上。换句话说,面对非电离辐射的时候,只要不觉得灼烫,就问题不大。

微波炉:从磁控管到屏蔽门

市面上常见的微波炉结构并不复杂,硬件上主要包括磁控管、导波管、腔体和炉门。老式微波炉会有一个回转扇,用来将微波均匀地散射到炉腔里。现代微波炉用更集约化的元件实现了相应的功能。炉腔里的微波一部分直接射到食物上,另一部分碰到炉壁再一次反射,最后大多数微波能量都被食物吸收,食物因此升温。

微波炉结构示意[2]

微波炉所用的微波,其实就是一种电磁波,常见的频率是2450MHz。虽然电磁波是电场与磁场互相激励向前波动,但在电磁波与物质的相互作用(加热食物)中起主要作用的还是电场。电场的大小(或方向)随着时间不断变化,如果在微波的传播路径上放一个电荷,那么它就会随着电场的变化往复运动——随着电磁波的频率振荡。这样,随着电荷被胁迫着不断振动,能量就从电磁场中转移到了电荷上。

线偏振电磁波示意[3]

在微波炉的具体应用中,微波通过迫使食物中的水分子不断振动,将能量传给其他食物分子,从而加热整个食物。水分子虽然整体不带电,但它拐了一个角,使得正电中心和负电中心不再重合。这就形成了物理学中的电偶极子。有了它,电场就可以像拧瓶盖一样让水分子转动起来获得更多的能量。水分子的这种特殊构型,让我们能够用微波炉方便地加热食物。让我们说:谢谢水分子!

水分子结构图[4]

在回转扇散射的电磁波中,有相当一部分会打到微波炉门上,这时候玻璃门内的金属网夹层就会发挥作用。这些金属网的网眼直径只有几毫米,但微波的波长却足足有,相比网眼实在太大了。微波遇到这样细密的网眼,无法直接透过,甚至连衍射效应都变得很微弱。它就像卡在栅栏里的修狗,面对的与其说是有洞的网,不如说是一块铁板。

图源参考文献[5]

不过,电磁波终究不是傻狗,即使是面对“铁板”,电磁波也拿捏住了自己的独特气质。

电磁波在与物质发生相互作用时,会在物质表面发生反射和透射——透射波的传播方向与原本的入射波不同,在光学里被称作折射。反射角θ'等于入射角θ,而折射角θ'小于θ,这是初中学习的光学知识,对于一般的电磁波也都适用。

电磁波在介质表面的反射与折射,k、k’和k’’分别表示入射波、反射波和透射波方向[6]

不同频率的电磁波,在遇到不同的介质的时候,反射与透射的能量分布也不同。有的透射率比较高,就显得“透明”;有的反射率比较高,就像镜子一样光亮。绝大多数金属,当它们遇到电场的时候,都会在表面感应出一层电荷,把电场排斥在体外——这是高中静电屏蔽的内容——面对不断变化的电磁波时,电荷的响应不会那么及时,但也能使电磁波仅仅进入金属一点点厚度,而绝大多数的能量都在金属表面被反射。

通过一些并不复杂(但只有到了考试前夜才能记得住)的推导,我们可以算出来微波炉使用的2450MHz电磁波对铜板的反射率,也就是说,如果把微波炉屏蔽门看成完整的金属板,那么几乎所有照射在屏蔽门上的微波能量都被反射回了炉腔,只有大约万分之四穿过了屏蔽门的阻隔。即使是这万分之四,理论上也有一部分被屏蔽门本身吸收。真正能够来到微波炉外面对人体产生影响的能量会更少。只不过,在日常生活中我们不太能观察到微波炉门发热,就先姑且忽略掉这些被吸收的能量。

按照上面的计算,日常家用的功率不到一千瓦的微波炉,理论上最多也就只有不到0.5瓦的辐射会泄露。一个常见的23L微波炉表面积大约——算下来,泄露的功率密度不到,只是国家标准规定的微波炉辐射泄露上限的1%[7]。

那么,国家标准规定的这个泄露辐射值,对人体有没有危害呢?人体对非电离辐射的承受能力主要取决于热效应。当全身都被照射时,每千克体重可以承受四瓦的辐射;而当只有一小块皮肤暴露在非电离辐射中时,由于血液循环会带走很大一部分热量,因此这一小块组织的辐射承受能力上限是每千克体重100瓦[8]。因此,即使是10g皮肤组织,也可以承受1瓦的微波辐射,这些皮肤大概能覆盖的面积——按国标上限计算,它们只会受到合格微波炉总共0.1瓦的辐射。所以说,微波炉理论辐射值远小于国标上限,国标又远在人体承受范围之内。即使生产厂家稍微“偷工减料”,把我们理论计算用的铁板换成了金属网,只要它们的产品还能正常出(zhuàn)厂(qián),也依旧不会对人体安全造成什么影响

手机:没啥辐射的辐射源

让我们暂且偏个题,去看一下台式电脑的背板。五花八门的插口中,三孔插头是电源线,它负责供给电能,点亮主机。其他的USB和HDMI接口则与键盘鼠标显示器连接,来传输信号。——电流携带的,可以是能量,也可以是信息。电磁波也是一样。微波炉使用的电磁波是“一力降十会”,挟着分子把它们加速变热;手机信号则是“四两拨千斤”,依靠波形的变化传递信息。

与手机相关的辐射分为两种:手机接收的信号强度和手机发射的发射功率。我们手机中使用的通信协议规定了不同信号强度下手机的发射功率。信号越弱,手机与基站的联系就越弱,因此手机的发射功率就会越大。信号强度反应在手机顶端菜单栏,就是我们平常说的“信号有几格”。更精细地说,信号强度的单位是dBm,计算公式是。如果手机接收到基站1mW的辐射,那么信号强度就是0dBm;如果收到1W辐射,信号强度就是30dBm。

手机信号强度与辐射功率对照表[9]

在城市中,移动信号的基准强度是-90dBm,也就是手机从基站接收到辐射就算合格。即使再低一些,也能大体保证通话质量[10]。这时手机发射的辐射强度是——而这也就是手机能够发射的强度上限了,所以手机真的还挺安全的。

在能保证日常通话质量的情况下,手机的信号强度波动范围可以很大。我的手机在不太长的时间里就经历了最高-61dBm、最低-125dBm的信号波动——换算成功率,这是一百万倍的差距。假如你是一只手机,正吃着火锅唱着歌,舒舒服服地在-60dBm通着话,突然就掉到了-100dBm乃至-110dBm,那该怎么办呢?环境不让你体面,那就自己给自己体面。拉满功率辛苦一下,聊聊微信还是没问题的。

手机信号强度 | 图源:我自己截的

微波炉里的手机究竟为什么能接电话?

说了这么多,我们终于可以回答最开始的问题。关在微波炉里的手机之所以能收到信号,不是因为微波炉泄漏辐射,而是因为手机“过于灵敏”。尽管微波炉屏蔽掉了绝大多数的辐射,只留下了万分之几的功率,但手机可以正常通话的信号范围,本身就跨越了五到六个量级。在炉门外,手机可以很顺畅地通话;在炉门内,虽然信号很弱,但手机还是应付得来。在日常生活中,只要我们正常地使用合格电器,而不把脑袋塞到微波炉里叮一下或者把X光当美颜相机拍,就真的不用担心辐射对身体造成危害。

参考资料:

[1]如何正确的区分电磁辐射与电离辐射,长期的电磁辐射能否影响人正常的身体健康?

[2] 有哪些关于微波炉的科学知识?

[3] 如何建立电磁波的传播模型?

[4] Springer Material

[5] 柴犬

[6] 郭硕鸿.电动力学(第三版).高等教育出版社

[7] GB4706.90/2014

[8] 无线电波,风险与监管

[9] 搞清楚基站和手机的辐射到底有多大?

[10] 手机信号强度是指什么?

编辑:藏痴



[注:本文部分图片来自互联网!未经授权,不得转载!每天跟着我们读更多的书]


互推传媒文章转载自第三方或本站原创生产,如需转载,请联系版权方授权,如有内容如侵犯了你的权益,请联系我们进行删除!

如若转载,请注明出处:http://www.hfwlcm.com/info/185743.html