【導(dǎo)讀】小編敢拍著胸脯說雖然大學大家都學過電路及電磁場的理論及設(shè)計理念,但是能真正從深層次理解的人估計少之又少。主要是書本的晦澀難懂,一位技術(shù)人員總結(jié)到現(xiàn)在畢生所學,從自身所學所用用通俗易懂的話,結(jié)合實際例子為大家詳細的講解了從電路到電磁場的理論,是不是很心動?機不可失哦!小編將其整理成兩部分,分享給大家。
對電磁場理論的理解還存在一些問題,本人當時也沒有理解透徹,尤其是電磁場理論如何解釋低頻甚至是穩(wěn)恒直流電路,自己似乎知道,但又講不清楚,很是苦惱,所以當時是回避了這些問題,長期以來這些苦惱時時讓我去思考,可以說從接觸電磁場到今天有十多年時間,經(jīng)常在思考這個東西,想著從一些簡單的,顯而易見的常識入手感性認知,而不是通過數(shù)學去死記,因為數(shù)學同樣的回避了太多問題,不夠形象,也或者說,我們本身對一些基礎(chǔ)概念的認知就出錯了,被經(jīng)典電路概念所困住了導(dǎo)致似是而非。
長時間來經(jīng)常跟網(wǎng)友溝通討論,也請教了一些前輩,尤其是當面請教了蘭州大學微波、天線專家張金生教授,張教授是老一輩無線電物理專家,長期從事微波、天線研究,張教授親自幫我指出了一些缺陷。
今天雖然說理解的更多更準確了,但不敢說都理解對了,只能說錯誤更少了一些,還請大家繼續(xù)斧正。
直流電
長期以來,我們了解電路是從回路開始的,以直流穩(wěn)恒回路為例,電池把化學能轉(zhuǎn)換成電能,電能通過導(dǎo)線傳遞到負載上,如下圖:
電池中,化學能把電子從一極移向另一極,缺少電子一極為正極,獲得電子一極為負極,兩端形成了電勢差(Vdc),也就存在了電場,方向從正極指向負極,化學能要驅(qū)動電子克服這個電場從正極移動到負極,電池內(nèi)部的電流移動跟電場方向相反。
[page]
傳統(tǒng)對于電子的理解是帶負電荷量為e的一個實體,往往指起本身,但是,這個理解是不夠準確的,電子除了本身,還應(yīng)該包括它激發(fā)的負電場,電子與電子等作用,根本上是它們各自激發(fā)的電場與電場的作用。舉個例子一塊磚頭從天空加速掉下來,是這塊磚頭激發(fā)的引力場與地球的引力場之間的作用導(dǎo)致磚頭掉下來的,電子也是這個概念。所以對電子的認知,以前都是基于它的實體認知,現(xiàn)在更多的可以基于它激發(fā)的電場來認知,兩者是等價的,但基于電場的認知,有助于理解高頻、電磁場。
當用導(dǎo)線連接電池與負載構(gòu)成一個電路回路,假設(shè)為理想導(dǎo)線,內(nèi)阻為0,則導(dǎo)線跟所連接的正負極等電勢,于是在導(dǎo)線之間也形成了電場,負載兩端也有這個電勢差(Vdc),所以負載內(nèi)部也有電場。
很多人可能對于導(dǎo)線之間的電場無法理解,因為以前很少有提到的,所以往往無視,這是重點指出的。我們換一種思維想這個問題,把正負極之間的兩根導(dǎo)線看作是一個電容,這個電容兩端接在電源上,那么就很好理解了,這個電容被充電了,正負兩端就集聚了正負電荷,兩極之間就充滿了電場,紅色矩陣表示正極導(dǎo)線,綠色矩陣表示負極導(dǎo)線,里面的顏色表示內(nèi)部的電荷分布,要靠近兩電極邊緣,這樣保證導(dǎo)體整個形成等勢體,理想導(dǎo)體內(nèi)部是沒有電場的,因為是等勢體。
就電池單獨來講,剛開始時,電池兩端電壓為0V,化學能搬移電子從正極到負極,當兩極電子集聚或減少的的越來越多的時候,電勢差越來越大,以鎳氫電池為例,當達到1.2V時,就不再增長,因為這個化學能中Ni轉(zhuǎn)變?yōu)镹i離子最大的電動勢就是1.2V。所以當電極兩端達到1.2V之后,兩極電場就阻值了化學能繼續(xù)反應(yīng)。
當電池兩端連接了理想導(dǎo)線和負載之后,理想導(dǎo)線要跟兩極等電勢,所以從電極上獲得電荷,跟正極接的導(dǎo)線失去電子獲得正電荷,負極接的導(dǎo)線獲得電子也就是獲得負電荷,這樣兩導(dǎo)線因為獲得不同電荷,之間形成電壓差,也就是電池電壓,這個電壓加在負載R上,對負載R內(nèi)的自由電子做功,碰撞負載R內(nèi)的原子發(fā)熱,類似于電子管里的電子從陰極飛到陽極。之后通過導(dǎo)線回到電池內(nèi)部,被化學能克服電場重新搬移到正極開始下一輪的循環(huán)。
這兒反復(fù)強調(diào),理想導(dǎo)體是等電勢,所以內(nèi)部沒有電場。電子在理想導(dǎo)體中移動因為沒有受到電場力的作用,所以整體均勻上講,是勻速運動的,這個電子也可以分布在導(dǎo)體內(nèi)任何位置移動。
[page]
這里舉一個形象的實際例子,吊車把地面的石頭舉起來,石頭克服地球引力(等價于電池),之后平行搬移到另外一個地方(理想導(dǎo)線),放下石頭(對負載做功發(fā)熱),再把它平移回來(理想導(dǎo)線)。直流電模型中,整個回路的電子都可以理解為勻速移動的,兩根導(dǎo)線中因為不受力,所以勻速,電池中,化學能抵消電場力,所以勻速,負載中,電子與原子的碰撞發(fā)熱與電場力抵消,所以勻速。
理想導(dǎo)體,關(guān)鍵在于“導(dǎo)”字,“導(dǎo)”就是通的意思。通的,就是沒有電壓差,也就是沒有電場,所以不存在加速過程,只是勻速平移。很多人認為,導(dǎo)體中有電流移動,所以就有電壓,其實,均勻的電流移動,是可以不需要電壓的,這個跟物理中的物體做勻速運動,不需要外力是一個道理。
理想導(dǎo)體因為是完全導(dǎo)通沒有電壓差的,理論上講是可以通任意電流大小電流的。最終在導(dǎo)體中的電流大小,取決于負載上流過的電流大小。
實際中的導(dǎo)體都不是理想導(dǎo)體,都是有內(nèi)阻的,所以會有一定的沿著導(dǎo)線方向的電壓差,所以會發(fā)熱,但理想導(dǎo)體或者超導(dǎo)體是絕對沒有沿著導(dǎo)體方向的電壓差的。
對于一個閉環(huán)的超導(dǎo)體回路來說,因為內(nèi)阻為零,有一定長度,可以完全理解為一個純電感,當變化的磁場通過超導(dǎo)體回路會產(chǎn)生渦電場,也就是有一個電動勢加在閉環(huán)超導(dǎo)體中,這個時候,因為理想導(dǎo)體內(nèi)部不能有電場,所以這個電場由純電感感應(yīng)的逆電動勢抵消來保持理想導(dǎo)體內(nèi)部無電場,這等效于給這個純電感充電,準確的講是充磁(感謝網(wǎng)友“大寶小莉啊”糾正),電流按照電感公式U = L * I / T變化。
我們可以來一個總結(jié):
1、 理想導(dǎo)體,因為是等電勢,所以內(nèi)部是沒有電場的。
2、 有電壓差,就能產(chǎn)生電場:E = U / D,E為電場強度,U為電壓差,D為距離。
3、 電流,其實就是磁場的另外一種表現(xiàn)形式,電流與磁場如同電子如電場的關(guān)系。
現(xiàn)實中因為不存在磁單極,所以磁產(chǎn)生的根源是基于電流,比如磁鐵就是基于電子繞原子核轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生磁場,當這個磁場方向一致,磁場疊加就表現(xiàn)為磁鐵。有過開關(guān)電源經(jīng)驗的都知道,在繞制變壓器的時候,一般用安匝(NI)表征磁場的激勵源。
我們很多自小就接觸電子,因為那個時候接受事物的能力有限,所以接觸的一些概念,往往是比較形象的,比如把電路理解為一個回路,電流在這個回路里流,大家很容易想象著,電場方向也是跟電流方向一致的。其實,在導(dǎo)體里,電場方向是否跟電流一致,書本上其實是回避了的,但這個是我們自己的潛意識形成的,而這一點卻嚴重的制約了后來對電磁場的理解。
接下來分析一下常規(guī)導(dǎo)線里面的電場與外部電場的關(guān)系,看看是否是我們原先所認知的那樣。我們以家庭常用的220VAC交流電源線為例,紅黑雙根分別為火線和地線,銅線截面積為0.5平方毫米,線中心與線中心之間間距4mm,單根導(dǎo)線每米電阻為0.1歐姆,我們做一些初略的計算分析線內(nèi)外的電場情況,設(shè)電壓為220V。
線外電場:E = 220伏 / 0.04米 = 5500伏/米。這個是平板電容的計算方式,導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的電場,要略低于這個值,估算降低一個數(shù)量級為550伏/米。
線內(nèi)電場:E = 0.1歐姆 * N安培 / 1米 = 0.1N伏/米
這個N根據(jù)實際電流大小決定,若為1安培,則導(dǎo)線內(nèi)的電場只有0.1伏/米,遠遠小于線外的電場強度550伏/米,可以忽略不計。
工頻交流電
日常交流電是50Hz,雖然只有50Hz,我們先承認基于電磁場理論的,尤其是幾千公里的電力線傳輸,是需要考慮電磁場效應(yīng)的,我們先推算一下它的波長。
波長 = 300 000 000 / 50 = 6 000 000米 = 6000千米。
這也就是說,我們先承認50Hz的交流電是電磁波的話,那么它的波長是6000千米,因為這個尺度太大了,遠遠超出了我們實際常用的尺寸,所以哪怕是電磁場,我們也感覺不到。這如同人相對于地球非常渺小,視野非常有限,發(fā)現(xiàn)不了地球到底是圓的,還是平的,一個道理。
直流電,我們可以認為是頻率為0Hz的電磁波,它的波長是無窮大。
高頻交流信號
我們使用電,是從直流到交流,從低頻到高頻這樣的順序過來的,就民用來說,最早收音機AM:525~1605KHz、FM:72~108MHz到GSM手機900MHz和1800MHz再到無線局域網(wǎng)WIFI:2400MHz,我們的需求逼迫我們用更高的頻率來傳遞更多的信息,可以肯定未來基于高頻高速的需求將是主流,而達到百兆級別以上的信號,波長已經(jīng)接近器件、連線或PCB布線尺度了,電磁場效應(yīng)不得不考慮。
為方便計算,考察300MHz信號,一秒鐘信號按正弦波規(guī)律變化300百萬次。
波長(真空或空氣中) = 300 000 000 / 300 000 000 = 1米
一個波長1米范圍內(nèi),表征了一個完整的信號變化,1秒鐘產(chǎn)生了300M個完整的信號周期。理想情況下電壓、電流按正弦波規(guī)律變化,對應(yīng)的電場和磁場也是按這個變化,在一個長的均勻平行傳輸線中,每隔一個波長位置信號電壓是完全相同的,每隔半個波長位置信號電壓是完全相反的。當前高速PCB布板,比如DDR2內(nèi)存就工作在這個200~300MHz頻率附近(數(shù)字信號可以分解為各個正弦波的疊加,這個例子對正弦波和方波都適用,信號不考慮反射條件下),以300MHz計算,考慮到PCB板介電常數(shù)是3.9~4.2,取整數(shù)為4,(真空或空氣中為1)那么波長縮短為4倍,只有1 / 4 = 0.25米,也就是波長只有25厘米。DDR2地址、數(shù)據(jù)線有很多根,假如因為布線條件決定引起各根地址或者數(shù)據(jù)線之間長短不一,比如差12.5cm,數(shù)據(jù)就完全相反了,0變成了1,1變成了0。哪怕差1cm,也引起了1 / 25 * 360 = 14.4度的相位差。這也嚴重的影響了時鐘信號的采樣判斷點。所以在DDR2等多地址、數(shù)據(jù)線的條件下,無法忽視因為信號電磁場傳播延時引起的數(shù)據(jù)相位差問題了。
[page]我們忽略了什么?
很多人認為,電磁場理論適合高頻,對低頻意義不太大,這個不否定。但是,當我們需要用到高頻的時候,我們卻往往還是用低頻的理解來思考高頻,用低頻的經(jīng)驗應(yīng)用于高頻,這個就不應(yīng)該了,既然電磁場理論對于高低頻都是適用的,那么在低頻下,我們到底忽略了什么,讓太多的人無法理解高頻下的電磁場,甚至是抵觸。
1、 低頻電路回路模型回避了信號的傳遞速度問題,信號的傳遞跟時間無關(guān),這與信號傳遞最高速度是光速這個常識違背。
2、 低頻電路回路模型認為導(dǎo)線是一個帶一定電阻的理想模型。不考慮導(dǎo)線的粗細,導(dǎo)線的形狀,導(dǎo)線內(nèi)外的磁場和導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的電場關(guān)系,這些都被忽略了。
第一點是信號的傳遞速度問題,也就是說,任何信號的傳遞是有一個定速的,雖然電磁場的傳遞速度是光速,非???,但是,無論多快,它還是有一個延時效應(yīng)存在,信號源信號的變化,需要通過導(dǎo)線上信號的變化(導(dǎo)線上信號的變化就是電場和磁場的變化)才能傳遞到負載端,信號源變化的越快就表現(xiàn)在在導(dǎo)線上變化的越快,導(dǎo)線線方向相鄰兩點的信號差異就越大。
第二個是信號的載體問題,信號是什么,它只是一個信息,一個事件,本身沒有實體,所以它必須要基于一個實體載體,能量就是信號的載體,信號從信號源到目標,也就是說能量從信號源到了目標。那這個能量的存在形式就是以電場能量和磁場能量方式存在,電場分布在兩根導(dǎo)線之間,若考慮導(dǎo)線存在內(nèi)阻,導(dǎo)線內(nèi)部也有一定的電場;磁場可以在導(dǎo)線內(nèi),也可以在導(dǎo)線外,圍繞導(dǎo)線。
電子是電場的載體之一,以前常用電子描述,現(xiàn)在都用電場描述,因為還有好幾種也能產(chǎn)生電場,比如原子核產(chǎn)生正電場,變化磁場產(chǎn)生的渦電場等,并非只有電子。
在平衡傳輸線中,我們更喜歡用上下兩根平衡導(dǎo)線分布的正負電荷構(gòu)成的垂直于導(dǎo)線的電場來描述,這個電場到了哪兒,導(dǎo)線上對應(yīng)的正負電荷就到了相同的垂直位置。
相關(guān)閱讀: