当你连上Wi-Fi的瞬间，空气里发生了什么？ | No.494

WIFI在我们日常生活中处处可见，

也是我们现在必不可缺的工具，

那你知道它的工作原理吗？

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Q1 暖贴与自热火锅的发热原理有何区别？
Q2 漆扇原理是什么？
Q3 用引力场模型类比水面涡旋是否合理？
Q4 盐水密度为什么比蒸馏水大？
Q5 干抹布隔热效果为什么比湿抹布好？
Q6 光伏发电板的原理是什么？
Q7 WIFI的工作原理是什么？
Q8 物体表面灰色的灰尘为什么一擦就变黑了？

by 码头

答：

这是因为暖贴和自热小火锅自热包的发热原理不同，触发化学反应所需的条件也不同。暖贴的发热本质上是铁粉在空气中发生氧化反应放出热量。暖贴内部含有铁粉、水、盐和活性炭等成分，但在未拆封时与空气隔绝，反应无法进行。当撕开包装后，空气中的氧气进入，铁粉开始缓慢氧化生成氧化铁并持续释放热量。由于这一氧化反应速度较慢、放热平稳，因此暖贴的温度通常不高，却可以维持较长时间，用于人体保暖。

相比之下，自热小火锅的自热包并不是依赖空气，而是依赖水来启动反应。自热包中通常含有生石灰（氧化钙），这种物质在干燥状态下性质较为稳定，但一旦遇水就会迅速发生化学反应，生成氢氧化钙并释放出大量热量。正是这一反应，使自热包能够在短时间内将温度升高到接近甚至超过沸水的水平，从而满足加热食物的需要。如果不加水，生石灰无法反应，自热包也就不会发热。

因此，暖贴之所以撕开即可发热，是因为它所缺少的反应条件是氧气；而自热小火锅之所以必须加凉水，是因为水本身就是反应物之一。此外，自热包通常要求加入凉水而非热水，是为了避免反应过于剧烈，防止温度瞬间过高而带来安全隐患。总体来看，暖贴追求的是低温、缓慢、长时间的放热，而自热小火锅追求的是高温、快速、短时间的放热，这也决定了它们在使用方式上的根本差异。

参考资料：

1. 大连理工大学无机化学教研室 编. 无机化学（第六版）[M]. 北京： 高等教育出版社.

2. 浙江大学普通化学教研组 编. 普通化学（第七版）[M]. 北京： 高等教育出版社.

by 星空

Q.E.D.
Q2 之前很火的漆扇原理是什么？

by 我叫大王

答：

漆扇的原理，本质上是一种利用油水不相溶与表面张力完成的“水面转印”。看似随手一漂，其实背后是流体力学在默默工作。

漆扇制作过程图 图片来源：中新网

制作漆扇时，使用的漆是油性或树脂性的，它不会溶解在水中。当漆滴入水面后，在表面张力的作用下，它不会下沉，而是迅速在水—空气的界面铺展开来，形成一层极薄的“漂浮漆膜”。这一步决定了漆只能停留在水面，而不是混进水里。

真正让花纹变得灵动的，是水面的流动。当轻轻搅动水，或滴入不同颜色的漆时，水面会出现细微的流动；同时，不同漆之间表面张力的差异，会驱动漆膜自行拉伸、推挤、分裂。这种由表面张力差引发的运动，会把原本简单的漆层“拉”成流云、涟漪或羽毛状的纹路，而且过程高度随机，几乎无法复制。

当扇面被缓慢浸入水中时，漂浮的漆膜会优先附着在固体表面。随着扇子下沉，水被排开，漆膜像我们柔软的皮肤一样包裹住扇面，把水面上的二维图案完整转移到立体结构上。

因此，每一把漆扇的花纹，其实都是漆在水面上“被物理规律推着走”的轨迹记录。看起来是手工艺术，背后却是油水分离、表面张力和流体运动共同完成的一次自然作画。

参考资料：

1. 王世襄．《髹饰录解说》．北京：生活·读书·新知三联书店，2013．

by 柠七

Q.E.D.
Q3 请问，水面漩涡用灯光照亮发现和黑洞想象图片一样，这样类比推理引力场模型有无严谨性问题？

by onmk

答：

水面的漩涡方程与黑洞导致的时空的弯曲并不相同。无粘性的旋转水面的曲面方程是旋转抛物面 ，而在二维空间中放置一个质点（体积无穷小故密度无穷大），则二维平面弯曲为曲面，可以在三维空间中用柱坐标描述：

那么我们有空间度规：

最后解得：

这不是下凹的抛物线( )，而是一个“躺下来”的上凸的抛物线！

蓝色为旋转水面, 红色为黑洞附近时空的剖面

by 竹铭

Q.E.D.
Q4 为什么盐水的密度比蒸馏水大？

by 匿名

答：

根据密度公式的定义： ，比较盐水和蒸馏水的密度，不妨比较单位体积的水（如 ）在加入一些NaCl前后质量体积改变如何。

加入盐之前，单位体积的水质量为1 ，而加入盐水后，如需要配置常见的生理盐水，需要加入 约0.01g的NaCl，而加入盐后，液体的质量的改变等于加入盐的质量，而液体的体积不会发生明显改变，这是由于组成水的水分子之间与较大空隙，NaCl溶解后变为钠离子和氯离子能直接进入到这些空隙中而不改变液体的总体积，因此加入食盐后液体的质量更大，体积不变，密度增大。

by clouds

Q.E.D.
Q5 我想知道为什么干抹布比湿抹布的隔热效果好？

by 龙头侦探

答：

因为空气的保温效果比水好，保温能力强20多倍。有一个反直觉的知识：生活中几乎所有材料导热速度都比空气快很多。因此生活中的保温材料几乎都是依靠疏松的结构将空气膜作为保温层，例如泡沫塑料，羽绒服和动物的绒毛。毛巾为了保证吸水能力，也是疏松多孔的结构，因此干毛巾的保温效果比湿抹布好。另外，湿抹布有很多副作用，例如水蒸发会带走热量，如果用来防止热的物体不变凉，反而会起到加速冷却的效果。

by 灵境

Q.E.D.
Q6 光伏发电板的工作原理？

by 沈以墨SillyInk

答：

光伏发电板的核心是半导体PN结的光生伏特效应。PN结是由P型半导体和N型半导体组成的界面。两侧的多数载流子因浓度差发生扩散运动，在接触面附近发生复合，形成空间电荷区（耗尽区），产生内建电场。内建电场阻碍多数载流子的扩散运动，驱使少数载流子漂移运动。当扩散与漂移作用达到动态平衡，PN结达到稳定状态。

半导体PN结示意图[1]

半导体PN结吸收太阳光可以产生光生载流子（电子空穴对）。由于内建电场存在，电子与空穴分离后分别进入N区和P区在PN结附近形成光生电场（与内建电场方向相反）。P区和N区分别带上了正电和负电，由此电动势出现。通过分别在PN结的两端用引线连接接通负载，就可以在外电路形成电流。

光生伏特效应示意图[2]

参考资料：

1. 咸夫正,苏文斌,卢红旺,等.伏安法测量二极管的伏安特性实验研究[J].大学物理实验,2024,37(06):55-59.DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2024.06.010.

2. 周乐,周捷.对太阳能电池板的原理分析和应用展望[J].山东工业技术,2017,(19):295.DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.259.

by ThymolBlue

Q.E.D.
Q7 WiFi的工作原理是什么？

by 沈以墨SillyInk

答：

Wi-Fi 本质上是一套用电磁波“隔空发消息”的精密系统。它并不是简单地把网络“铺满空气”，而是通过高度复杂的数学编码，将数字信号“刻”在无线电波上，再利用严格的交通规则在空中传输。

从物理层面看，Wi-Fi 使用的是微波频段（多数为2.4 GHz、5 GHz）。这些频率介于广播电台和可见光之间，波长适中，既能穿透墙壁和家具，又便于集成在手机的微型天线中。

真正的关键在于调制。路由器并不是简单地把信号打开或关闭，而是利用数学方法，把二进制信息映射到电磁波的细微变化上。现代Wi-Fi主要依赖正交振幅调制：同一频率的电磁波，通过“波峰高一点、低一点”，以及“波形早到或晚到一点”，就能表示出不同的比特组合。再配合正交频分复用，把一条信道拆成许多彼此正交的子载波并行传输，数据才能以极高的效率在空中流动。

在网络层面，Wi-Fi更像是一场“有秩序的抢话筒”游戏（CSMA/CA 机制）。因为所有设备共用同一个信道，大家必须轮流发言。设备在发送数据前会先“听一听”空气是否安静，避免同时大喊造成冲突。这也是为什么连接设备越多，大家“排队等待”的时间越长，网速就越慢。

至于信号穿墙变弱，本质是电磁波在传播中被墙体物质吸收、反射和散射，导致信噪比下降。为了不“听错”，设备只能主动降低语速（速率），甚至断连。

所以，Wi-Fi本质上是用微波当载体、用数学编码信息、用协议协调秩序的工程奇迹。

参考资料：

1. Gast, M. S. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide[M]. O'Reilly Media, 2005.

by 柠七

Q.E.D.
Q8 为什么灰尘开始在物体表面时是灰色的，用纸擦起来之后就变黑了？

by Recluminist

答：

众所周知，人眼看到物体的颜色来源于物体反射出的光线。

灰尘附着在物体表面显浅灰色说明灰尘和物体表面的系统整体反射了大部分的环境光。这是因为当灰尘松散地分布在物体表面时，光线会经过多次散射和透射。灰尘颗粒之间的空隙会让部分光线穿透到物体表面再反射回来，同时灰尘颗粒本身也会反射光线。这导致系统对光的吸收率很低，看上去颜色更浅。而用纸张或布将灰尘擦拭起来，灰尘被聚集，颗粒之间的空隙减少，光线难以穿透，更多被灰尘颗粒吸收，系统对光线的吸收率更高，所以看上去颜色会更深。

总言之，一片区域内灰尘所显现的颜色取决于其对光线的吸收程度。这就像是加水稀释颜料，颜色会变浅一样。

by 跑马仔

Q.E.D.
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星空、竹铭、clouds、滪旸、跑马仔、柠七、ThymolBlue

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编辑：凉渐