Blockieren Wände wirklich Handy- und WLAN-Signale?

Wenn Sie Ihr Mobiltelefon ständig bei sich tragen, werden Sie feststellen, dass das Mobiltelefonsignal beim Betreten des Kellers oder einiger Hochhäuser oft erheblich schwächer wird. Wenn Sie den Aufzug betreten, ist in der Regel überhaupt kein Signal vorhanden. Angesichts dessen glaube ich, dass sich jeder an ähnliche Erlebnisse erinnert.

Ich glaube, jeder weiß, dass die Ausbreitung von Mobiltelefonsignalen mithilfe elektromagnetischer Wellen erfolgt, die sich mit einer bestimmten Frequenz ändern. In der Nähe eines Mobiltelefons ist das Mobiltelefonsignal umso besser, je größer die Amplitude der elektromagnetischen Wellen ist, die das Signal übertragen. Wenn wir an einen Ort kommen, an dem das Signal sehr schwach ist, bedeutet dies, dass nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Wellensignals hierher gelangen kann.

Die Lebenserfahrung lehrt uns, dass die Amplitude elektromagnetischer Wellen nach dem Durchgang durch eine Wand tatsächlich abnimmt, was zu einer Dämpfung des Signals führt. Doch was genau behindert oder blockiert die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und führt dazu, dass Mobiltelefone ihr Signal verlieren? Um dieses Problem zu lösen, müssen wir mit einem physikalischen Phänomen beginnen.

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem Medium folgt dem „Skin-Effekt“. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um das Phänomen, dass elektromagnetische Wellen dazu neigen, an die Oberfläche zu gelangen. Nach dem Nachschlagen der Definition wissen wir, dass bei Wechselstrom oder einem elektromagnetischen Wechselfeld in einem Leiter die Stromverteilung im Inneren des Leiters ungleichmäßig ist und der Strom im „Haut“-Teil des Leiters konzentriert ist, d. h., der Strom konzentriert sich in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche des Leiters. Je näher an der Oberfläche des Leiters, desto größer ist die Stromdichte und der Strom im Inneren des Drahtes ist tatsächlich kleiner. Dadurch erhöht sich der Widerstand des Leiters und damit auch dessen Leistungsverlust. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet. Was hat dieser Effekt also mit der Ausbreitung von Mobilfunksignalen zu tun?

Es stellt sich heraus, dass elektromagnetische Wellen, die Signale übertragen, beim Durchgang durch bestimmte Medien durch den Skin-Effekt eingeschränkt werden, was dazu führt, dass ein Teil der elektromagnetischen Wellen auf der Oberfläche des Mediums verbleiben und das Medium nicht vollständig durchdringen können. Je besser die Leitfähigkeit des Mediums ist, desto deutlicher ist die Wirkung der Blockierung elektromagnetischer Wellen.

Nehmen wir nun an, es gibt eine Wand und die elektromagnetische Welle möchte diese durchdringen. Wenn die Wand vollständig isoliert ist, gibt es in den Augen der elektromagnetischen Wellen überhaupt keine Wand und sie können problemlos und ohne Verluste hindurchgehen. Ist die Wand jedoch leitfähig, besteht sie beispielsweise aus Metall, ist sie in den Augen elektromagnetischer Wellen eine unüberwindbare, hohe Wand, die fast unmöglich zu durchdringen ist. Aus diesem Grund kann eine dünne Schicht Alufolie dazu führen, dass das Mobiltelefon sein Signal verliert, und aus diesem Grund ist das Signal in C besonders schlecht (der Aufzug entspricht einer Metallbox).

Wir wissen mittlerweile, dass Materialien mit starken Leitfähigkeitseigenschaften (Metalle oder verschiedene Substanzen, die Elektrizität leiten können) einen erheblichen Einfluss auf die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen haben. An dieser Stelle könnte sich jemand fragen: Sind die Wände von Gebäuden nicht nichtleitend? Warum behindern sie dann die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und dämpfen Mobilfunksignale?

Wie bereits erwähnt, können elektromagnetische Wellen eine „reine“ Wand nahezu verlustfrei durchdringen. Wir wissen jedoch, dass zur Verbesserung der Tragfähigkeit von Wänden in der Bauindustrie häufig Stahlbetonkonstruktionen eingesetzt werden. Mit anderen Worten: Die Innenseite der Wand enthält nicht nur Isoliermaterialien wie Zement, sondern auch leitfähige Stahlstangen und natürlich verschiedene in der Wand vergrabene Drähte. Dadurch hat die Wand eine gewisse Sperrwirkung gegenüber elektromagnetischen Wellen. Wenn wir uns im unterirdischen Raum befinden, wird das Signal daher unterschiedlich stark abgeschwächt, bis es vollständig verschwindet.

Beispiele für Signale, die durch den Skin-Effekt behindert werden, gibt es in vielen Bereichen. Wir wissen, dass Meerwasser ein guter Stromleiter ist. Um im Militär einfache Signale wie „oben“, „unten“, „vorwärts“, „Stopp“ usw. an U-Boote unter Wasser zu übertragen, müssen große Antennenarrays verwendet werden, um elektromagnetische Wellensignale mit hoher Intensität auszusenden. Allerdings ist eine Kommunikation unter Wasser nur bis zu einer Tiefe von etwa 30 Metern möglich. Sobald diese Distanz überschritten wird, wird die Kommunikation äußerst schwierig.

Allerdings hat alles seine zwei Seiten. Der Skin-Effekt bringt uns zwar viele Unannehmlichkeiten, hat aber auch einige positive Auswirkungen. Beispielsweise kann der Skin-Effekt genutzt werden, um einen elektrostatischen Abschirmbereich (ähnlich einem Faradayschen Käfig) zu erzeugen und so präzise experimentelle Messungen durchzuführen.

An dieser Stelle wird sich sicherlich jemand fragen, ob es keine Möglichkeit gibt, diesen Effekt zu eliminieren bzw. zu vermeiden, sodass das Signal reibungslos übertragen werden kann? Da es sich hierbei um eine grundlegende Eigenschaft elektromagnetischer Wellen handelt, ist es zwar schwierig, sie zu beseitigen, aber wir haben viele Möglichkeiten, das Auftreten dieses Effekts zu vermeiden. Beispielsweise sind viele Aufzüge mit einem kleinen Signalverstärker ausgestattet, um den Aufzug mit Signalen zu versorgen. Ebenso sind in vielen U-Bahn-Stationen Signalverstärker entlang der Strecke installiert, sodass Sie Ihr Mobiltelefon auch mehr als zehn Meter unter der Erde ungehindert nutzen können.

Die Physik lehrt uns, dass hinter verschiedenen Phänomenen im Leben physikalische Prinzipien stecken. Physiker haben einfache, aber tiefgreifende Gesetze der Physik anhand verschiedener Phänomene zusammengefasst.

Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.