看得懂的電磁場理論

　　從初中甚至更小，我們就接觸到了電路，把電壓比作水源的高度，電流比做水流，表徵電壓與電流關係的電阻就是水管的大小。從初中到大學畢業工作(排除專門學過電磁場，並且深入理解了的)，我們一直這麼理解的。因為電路、電壓、電流、電阻的概念就是對照現實中看得到的水路、水壓、水流和水阻而來的，非常直觀、形象，並且長期以來感覺沒什麼問題，所以非常的深入人心。

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　　電路理論的困境

　　電路理論首先碰到的問題是兩根緊挨著的信號線，會相互幹擾，這個引入了磁場理論比較好的解釋了：存在交變的電流，就激勵出交變的磁場變化，部分磁力線相互圍繞了傍邊的信號線，根據安培定律，互感相互影響，這個採用磁場理論可以說完美的解釋了。當然靠近的兩根信號線不僅僅只有磁場的影響，電場也有影響，這個取決於電壓與電流的比例關係。

　　電路理論碰到的第二個問題，當一個迴路的導線無規則，比較亂，信號源信號無法完美的傳遞到終端上，高頻失真，信號完整性受損，限制了高速信號傳輸。而這個，電路理論解釋不了，磁場理論也解釋不了，需要第三種理論。

　　電路理論碰到第三個問題，無法解釋天線?怎麼斷路不相連的一段導線，可以輻射能量出去，而電路理論必須要有迴路的，完全不可理解。

　　電路理論無法解釋第四個問題：傳輸線阻抗，一根同軸線，標稱50歐姆，這個是表徵什麼物理量?這個50歐姆在哪兒呢?

　　信號的載體是能量

　　硬體中的信號的傳遞，基於電壓或者電流表徵的，但無論電壓還是電流，都是基於能量這一實體。

　　在現實中，能量的傳遞，都是從A到B點，而在微觀世界中，能量的傳遞只有兩種，那就是基於粒子傳遞，如同扔石頭，或者基于波的傳遞，如同聲音或者水波，只有這兩種。但是，電路是基於一個迴路的，大家日常想著電流從電源的正極留出到電源的負極，或者電子從負極流出到達正極，這個是電路理論經常提到的，深入人心，但這個明顯存在一個問題，就是這個迴路裡面，到底那個負載先上電呢?是靠近正極的A，還是靠近負極的C?

　　

 

　　

 

　　我們知道，電子有質量，在金屬中移動的速度很慢，遠遠小於光速，但電的建立是光的速度，所以電路建立的基礎，顯然不是以電子的移動作為初始條件，能跟光速比的，只有電磁場，它是波，可以傳遞能量，也滿足能量傳遞條件。

　　場結構模型

　　既然電路的理論基礎是電磁場，能量的傳遞必須從信號源點到終端，不可能是迴路形式，那麼如下圖，紅色細線是電場，從信號源擴展到負載B，藍色細圓圈是磁場，也從信號源擴展到負載B，理論上講，電路的順序是A、C、B，這樣的順序。

　　

 

　　

 

　　我們簡化上圖為傳輸線類型模式，可以清晰的看到，紅電場和蘭色磁場組成的電磁場從信號源到負載電阻。在傳播過程中，電場和磁場都是存在於導線外面的，而這些電場和磁場都是能量場，所以要明確的是，能量都是在導線外面的，而不存在於導線內部，這個很關鍵，

　　

 

　　

 

　　根據能量存在於導線外面的特點，我們加以利用，就得到不同的東西。比如為了實現傳輸，就需要降低損耗，降低對外的輻射而設計了同軸線，如下圖1(截面圖)，外銅皮與內心銅線之間充填塑料，形成一個腔體，電場和磁場就分布在裡面，電場是兩極徑向的紅線，磁場是圍繞銅芯的切向蘭線。同軸線外沒有任何的電場和磁場，所以對外沒有輻射，損耗最小，最適合電磁場通訊。

　　PCB上的信號連接，無法用同軸線，於是設計了一種類似同軸線的方案，叫微帶線，如下圖2。圖中可知電場大部分被約束在信號線與參考地之間，但磁場有在外面，所以微帶線適合短距離傳輸，往往只適合於PCB。

　　若為了發射信號，如天線，就儘可能的把電場和磁場暴露在空間中，那麼就需要把兩極分開，如下圖3.

　　

 

　　

 

　　

 

　　需要注意的是，一塊懸空的金屬，因為內阻為0，電磁場無法穿過而形成類似鏡子的反射效應，衛星天線採用一塊獨立的類似鍋蓋形狀的金屬板作為衛星信號的反射面，利用凹透鏡原理。