“簡(jiǎn) 介： ?近期，在 IN A SIMPLE CIRCUIT, ?WHERE DOES THE ENERGY FLOW?^[1] 看到作者 William Beaty 介紹了電能在電路及其空間傳遞的內(nèi)容，這對(duì)于電路分析中以集中參數(shù)器件為主要簡(jiǎn)化模型分析來(lái)說(shuō)是一個(gè)有趣的補(bǔ)充。這可以為進(jìn)一步理解電路特性中的一些分布式現(xiàn)象帶來(lái)更深刻的理解圖景。

”

關(guān)鍵詞： 電能，電磁場(chǎng)，電路

01 電能流動(dòng)

??通常情況下，電子專業(yè)學(xué)生都會(huì)假設(shè)電能是在金屬導(dǎo)線內(nèi)部進(jìn)行傳遞的，但學(xué)習(xí)物理的同學(xué)則不是這樣看的！實(shí)際上電能并不在金屬導(dǎo)線內(nèi)部流動(dòng)，真實(shí)場(chǎng)景是，有電池或者電源發(fā)送出的電能焦耳是坐落在電路周圍的空間中：它們轉(zhuǎn)化為電線周圍的電磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞。下面的配圖顯示了其中的細(xì)節(jié)。

??我們知道，線圈是將電能轉(zhuǎn)換成繞組外面磁場(chǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能的；電容則是通過(guò)內(nèi)部金屬電極之間絕緣層中的電場(chǎng)來(lái)存儲(chǔ)電能，而電路則通過(guò)稍微不同的方式處理電能。作為整體，電路則同時(shí)使用電感和電容兩種方式來(lái)處理電能：它既包括有線圈，也包括有電容。

??電路中的電容存在是因?yàn)樵陔娐分猩舷聝珊?jiǎn)單電路部分存在著電位差，而電感的出現(xiàn)是因?yàn)樵诿織l通有電流的線路周圍都會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)。這些電場(chǎng)、磁場(chǎng)的形狀則會(huì)顯示出電能在線路中流通并不依賴于單個(gè)電子，也不依賴于電線內(nèi)部的緩慢定向移動(dòng)電子。相反，電能的傳遞則是靠電線周圍空間中的電磁場(chǎng)來(lái)完成的。

??舉例說(shuō)明：當(dāng)電池點(diǎn)亮一個(gè)燈泡時(shí)，電池將能量發(fā)散到電線周圍的空間，形成周圍的電磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)僅僅依附于導(dǎo)線并由導(dǎo)線指引傳遞方向。電磁場(chǎng)能平行于導(dǎo)線傳遞，最終匯入燈泡中的燈絲上。電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)燈絲內(nèi)部大量移動(dòng)電荷，對(duì)抗電阻所帶來(lái)的阻力。燈絲中的電子忽而被電場(chǎng)加速，忽而又碰撞燈絲上鎢原子，通過(guò)這種方式電能被轉(zhuǎn)換成熱能。

??整體上來(lái)看，一個(gè)電路就像一個(gè)傳送電能的管道，只不過(guò)，這個(gè)輸送管道并沒有外部實(shí)際的管道壁。

02 圖例說(shuō)明

??下面通過(guò)一些實(shí)際圖例來(lái)說(shuō)明電能傳送過(guò)程。

??下面 是一個(gè)由電池、電阻（比如燈泡）連接而成的簡(jiǎn)單閉環(huán)電路。電池將其內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電阻上的熱能，電阻會(huì)發(fā)熱。

??所有導(dǎo)體中都包含有可以移動(dòng)的電荷。電阻以及電池中的電解液都是導(dǎo)體。當(dāng)我們將它們使用金屬線連接在一起時(shí)，就形成了電流的閉環(huán)通路，其中充滿有流動(dòng)的電荷。電池的作用就像一個(gè)流體中的飛輪，隱藏在管道 中一個(gè)封閉環(huán)內(nèi)。

??下圖中的環(huán)形線是電磁線，在導(dǎo)線周圍形成環(huán)形磁力線。請(qǐng)注意，為了能夠顯示出這個(gè)環(huán)形的磁力線，在繪制的時(shí)候?qū)嶋H上是將磁力線傾斜了一下，本質(zhì)上這些環(huán)形線所在的平面都與線路垂直。如果真實(shí)繪制，則只能看到這些環(huán)形線的側(cè)面邊緣。

??上面的磁場(chǎng)也被稱為：B-Field。

??如果將電路轉(zhuǎn)換一個(gè)角度就可以清楚看到這些環(huán)形磁力線的形狀了-三維斜視繪圖。

??如果想繪制的更加精確，需要繪制出更多位置上的磁力線。當(dāng)這些磁力線足夠多時(shí)，它們便可以形成導(dǎo)線周圍的電磁管道。

??所有連接在電池一端的導(dǎo)體都是等電位的。因此，電路相當(dāng)于兩個(gè)分離的導(dǎo)體，一組充有多余正電荷，一組充有多余的負(fù)電荷。

??上下兩組充有電荷的導(dǎo)線相當(dāng)于電容的兩個(gè)電極。電力線則從一個(gè)電極發(fā)出通往另外一個(gè)電極。下圖顯示了兩個(gè)電極周圍的電場(chǎng)分布。這是一個(gè)側(cè)面圖。

??下面給出了3D視角下的電力線的星型放射狀分布情況。這是一個(gè)3D斜視圖。由電池、電阻分開的兩個(gè)一半電路，充有相反電荷，周圍形成了電場(chǎng)分布。

??結(jié)合上面【圖2.4】我們可以繪制出第三種場(chǎng)分布模式。隨著電力線繪制的越來(lái)越稠密，所有導(dǎo)線都由電力線連通。上面這個(gè)電力線圖景也被稱為E-Field。

??下面給出了復(fù)合在一起的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的三維斜視圖。在兩組導(dǎo)電線之間加入更多磁力線與電力線，整個(gè)電路空間都被這些“毛發(fā)”填滿。大部分能量集中位于兩組導(dǎo)線之間，還有少許則環(huán)繞在兩組導(dǎo)線外部。

??你也許注意到磁力線與電力線相互垂直，當(dāng)我們討論光線中的E，B場(chǎng)時(shí)，它們總是相互垂直，下面圖中就顯示了這種場(chǎng)景。

??電磁能量由電池發(fā)出，進(jìn)入電路周圍的空間。能量的流動(dòng)方向是沿著導(dǎo)線平行的方向，然后進(jìn)入負(fù)載電阻。能量流動(dòng)場(chǎng)是B-矢量場(chǎng) 叉乘 E-矢量場(chǎng)。

??下圖繪制出能量流動(dòng)場(chǎng)與電場(chǎng)（灰色線），可以看到能量總是沿著E-場(chǎng)的垂直方向流動(dòng)。

??在下面能量流動(dòng)場(chǎng)與磁場(chǎng)圖中，能量流動(dòng)方向也和磁場(chǎng)方向垂直。

??如果將所有獨(dú)立不可見的物理場(chǎng)繪制在一起，你也許會(huì)理解為什么電力傳輸真正理解起來(lái)還是需要?jiǎng)右稽c(diǎn)腦筋的。

??下面這張圖也僅僅是一張二維圖片：顯示了電路周圍場(chǎng)分布的側(cè)視圖。真正的場(chǎng)是三維的，充滿了電路周圍的空間，所以精確繪制出的場(chǎng)景就像電路周圍的一卷秀發(fā)。

參考資料

[1]IN A SIMPLE CIRCUIT, ?WHERE DOES THE ENERGY FLOW?: http://amasci.com/elect/poynt/poynt.html

GPS導(dǎo)航下的智能車

2019年7月在北京奧林匹克體育公園舉辦的中學(xué)生智能車比賽。北斗智能車擬實(shí)現(xiàn)智能小車在北斗定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下自動(dòng)進(jìn)行定位和移動(dòng)并完成簡(jiǎn)單的比賽任務(wù)。

在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)航小車從起點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)北斗導(dǎo)航按順序依次到達(dá)帶有標(biāo)號(hào)燈的位置并準(zhǔn)確點(diǎn)亮燈，可選擇經(jīng)過(guò)無(wú)線充電樁進(jìn)行無(wú)線充電，在裝貨區(qū)載著貨物到達(dá)終點(diǎn)，比賽全程要準(zhǔn)確通過(guò)多個(gè)門，全程禁止使用基于無(wú)線電收發(fā)系統(tǒng)的手動(dòng)控制（遙控器或者手機(jī) APP）。