【導(dǎo)讀】小編敢拍著胸脯說雖然大學(xué)大家都學(xué)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(xué)，從自身所學(xué)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(xué)去死記，因為數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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。
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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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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。
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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(xué)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，非常快，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。
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