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概念的認知就出錯了，被經(jīng)典電路概念所困住了導致似是而非。

 

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。

 

 

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，電池把化學能轉換成電能，電能通過導線傳遞到負載上，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。

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。

 

當用導線連接電池與負載構成一個電路回路，假設為理想導線，內(nèi)阻為0，則導線跟所連接的正負極等電勢，于是在導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線，綠色矩陣表示負極導線，里面的顏色表示內(nèi)部的電荷分布，要靠近兩電極邊緣，這樣保證導體整個形成等勢體，理想導體內(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。

 

當電池兩端連接了理想導線和負載之后，理想導線要跟兩極等電勢，所以從電極上獲得電荷，跟正極接的導線失去電子獲得正電荷，負極接的導線獲得電子也就是獲得負電荷，這樣兩導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)。

 

這兒反復強調(diào)，理想導體是等電勢，所以內(nèi)部沒有電場。電子在理想導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體內(nèi)任何位置移動。

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（理想導線），放下石頭（對負載做功發(fā)熱），再把它平移回來（理想導線）。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。

 

理想導體，關鍵在于“導”字，“導”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。

 

理想導體因為是完全導通沒有電壓差的，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。

 

實際中的導體都不是理想導體，都是有內(nèi)阻的，所以會有一定的沿著導線方向的電壓差，所以會發(fā)熱，但理想導體或者超導體是絕對沒有沿著導體方向的電壓差的。

 

對于一個閉環(huán)的超導體回路來說，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)超導體中，這個時候，因為理想導體內(nèi)部不能有電場，所以這個電場由純電感感應的逆電動勢抵消來保持理想導體內(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。

 

 

1、  理想導體，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)導線里面的電場與外部電場的關系，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，導線與導線之間的電場，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。
 

 

 

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。

 

 

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。

 

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)驗應用于高頻，這個就不應該了，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，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線是一個帶一定電阻的理想模型。不考慮導線的粗細，導線的形狀，導線內(nèi)外的磁場和導線與導線之間的電場關系，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?？欤?，無論多快，它還是有一個延時效應存在，信號源信號的變化，需要通過導線上信號的變化（導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)在在導線上變化的越快，導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，電場分布在兩根導線之間，若考慮導線存在內(nèi)阻，導線內(nèi)部也有一定的電場；磁場可以在導線內(nèi)，也可以在導線外，圍繞導線。

 

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線分布的正負電荷構成的垂直于導線的電場來描述，這個電場到了哪兒，導線上對應的正負電荷就到了相同的垂直位置。