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01 电能流动通常情况下，电子专业学生都会假设电能是在金属导线内部进行传递的，但学习物理的同学则不是这样看的！实际上电能并不在金属导线内部流动，真实场景是，有电池或者电源发送出的电能焦耳是坐落在电路周围的空间中：它们转化为电线周围的电磁场进行传递。下面的配图显示了其中的细节。 我们知道，线圈是将电能转换成绕组外面磁场进行储能的；电容则是通过内部金属电极之间绝缘层中的电场来存储电能，而电路则通过稍微不同的方式处理电能。作为整体，电路则同时使用电感和电容中两种方式来处理电能：它既包括有线圈，也包括有电容。  ▲ 图1.1 通有电流导线周围的磁场与电场 电路中的电容存在是因为在电路中上下两简单电路部分存在着电位差，而电感的出现是因为在每条通有电流的线路周围都会出现磁场。这些电场、磁场的形状则会显示出电能在线路中流通并不依赖于单个电子，也不依赖于电线内部的缓慢定向移动电子。相反，电能的传递则是靠电线周围空间中的电磁场来完成的。  ▲ 图1.2 导线周围磁场方向-右手法则 举例说明：当电池点亮一个灯泡时，电池将能量发散到电线周围的空间，形成周围的电磁场。这些电磁场仅仅依附于导线并由导线指引传递方向。电磁场能平行于导线传递，最终汇入灯泡中的灯丝上。电磁场驱动灯丝内部大量移动电荷，对抗电阻所带来的阻力。灯丝中的电子忽而被电场加速，忽而又碰撞灯丝上钨原子，通过这种方式电能被转换成热能。 整体上来看，一个电路就像一个传送电能的管道，只不过，这个输送管道并没有外部实际的管道壁。 02 图例说明下面通过一些实际图例来说明电能传送过程。 下面 是一个由电池、电阻（比如灯泡）连接而成的简单闭环电路。电池将其内部的化学能转换成电阻上的热能，电阻会发热。  ▲ 图2.1 一个简单电路 所有导体中都包含有可以移动的电荷。电阻以及电池中的电解液都是导体。当我们将它们使用金属线连接在一起时，就形成了电流的闭环通路，其中充满有流动的电荷。电池的作用就像一个流体中的飞轮，隐藏在管道 中一个封闭环内。  ▲ 图2.2 电路中的电流 下图中的环形线是电磁线，在导线周围形成环形磁力线。请注意，为了能够显示出这个环形的磁力线，在绘制的时候实际上是将磁力线倾斜了一下，本质上这些环形线所在的平面都与线路垂直。如果真实绘制，则只能看到这些环形线的侧面边缘。  ▲ 图2.3 电流引起的磁场 上面的磁场也被称为：B-Field。 如果将电路转换一个角度就可以清楚看到这些环形磁力线的形状了-三维斜视绘图。 如果想绘制的更加精确，需要绘制出更多位置上的磁力线。当这些磁力线足够多时，它们便可以形成导线周围的电磁管道。  ▲ 图2.4 电流所产生的环形磁力线 所有连接在电池一端的导体都是等电位的。因此，电路相当于两个分离的导体，一组充有多余正电荷，一组充有多余的负电荷。  ▲ 图2.5 两组充电导体：电压 上下两组充有电荷的导线相当于电容的两个电极。电力线则从一个电极发出通往另外一个电极。下图显示了两个电极周围的电场分布。这是一个侧面图。  ▲ 图2.6 由相反电荷引起的电场分布 下面给出了3D视角下的电力线的星型放射状分布情况。这是一个3D斜视图。由电池、电阻分开的两个一半电路，充有相反电荷，周围形成了电场分布。  ▲ 图2.7 充有相反电荷电机周围的电场分布 结合上面【图2.4】我们可以绘制出第三种场分布模式。随着电力线绘制的越来越稠密，所有导线都由电力线连通。上面这个电力线图景也被称为E-Field。  ▲ 图2.8 将电场与磁场复合在 一起 下面给出了复合在一起的电场与磁场的三维斜视图。在两组导电线之间加入更多磁力线与电力线，整个电路空间都被这些“毛发”填满。 大部分能量集中位于两组导线之间，还有少许则环绕在两组导线外部。 你也许注意到磁力线与电力线相互穿直，当我们讨论光线中的E，B场时，它们总是相互垂直，下面图中就显示了这种场景。 ▲ 图2.9 复合在一起的电场与磁场的三维视图 ▲ 图2.10 能力流动（POYNTING场） 电磁能量有电池发出，进入电路周围的空间。能量的流动方向是沿着导线平行的方向，然后进入负载电阻。 能量流动场是B-矢量场 叉乘 E-矢量场。 下图绘制出能量流动场与电场（灰色线），可以看到能量总是沿着E-场的垂直方向流动。 ▲ 图2.11 能量流动场与电场（灰色线） 在下面能量流动场与磁场图中，能量流动方向也和磁场方向垂直。 ▲ 图2.12 能量流动场与磁场（灰色线） 如果将所有独立不可见的物理场绘制在一起，你也许会理解为什么电力传输真正理解起来还是需要动一点脑筋的。 下面这张图也仅仅是一张二维图片：显示了电路周围场分布的侧视图。真正的场景是三维的，充满了电路周围的空间，所以精确绘制出的场景就像电路周围的一卷秀发。 ▲ 图2.13 一个简单电路？ 参考资料[1]IN A SIMPLE CIRCUIT, WHERE DOES THE ENERGY FLOW?: http:///elect/poynt/poynt.html |
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来自： 山峰云绕 > 《电磁学光子物理激光工程仪器成像红外光》
