從電路到電磁場

1、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(fù)載上，如下圖：電流方向電場方向磁場方若手定律電池中，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(fù)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(fù) 極，化學(xué)能要驅(qū)動電子克服這個(gè)電場從正極移動到負(fù)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(fù)電荷量為 e的一個(gè)實(shí)體，往往指起本身，但是，這 個(gè)理解是不夠準(zhǔn)確的，電子除了本身，還應(yīng)該包括它激發(fā)的負(fù)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(gè)例子一塊磚頭從天空加速掉

2、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(gè)概念。所以對電子的認(rèn)知，以前都是基于它的實(shí)體 認(rèn)知，現(xiàn)在更多的可以基于它激發(fā)的電場來認(rèn)知，兩者是等價(jià)的，但基于電場 的認(rèn)知，有助于理解高頻、電磁場。當(dāng)用導(dǎo)線連接電池與負(fù)載構(gòu)成一個(gè)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(fù)極 等電勢，于是在導(dǎo)線之間也形成了電場， 負(fù)載兩端也有 這個(gè)電勢差（Vdc），所以負(fù)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?yàn)橐郧昂苌儆刑岬降?，所以往?無視，這是重點(diǎn)指出的。我們換一種思維想這個(gè)問題，把正負(fù)極之間的兩根導(dǎo) 線看作是 一個(gè)電容，這個(gè)電容兩端接在電源

3、上，那么就很好理解了，這個(gè)電容 被充電了，正負(fù)兩端就集聚了正負(fù)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(fù)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(gè)形成等勢體，理想導(dǎo)體內(nèi)部是沒有電場的,因?yàn)槭堑葎蒹w。就電池單獨(dú)來講，剛開始時(shí)，電池兩端電壓為0V，化學(xué)能搬移電子從正極到負(fù)極，當(dāng)兩極電子集聚或減少的的越來越多的時(shí)候，電勢差越來越大，以鎳氫電池為例，當(dāng)達(dá)到1.2V時(shí)，就不再增長，因?yàn)檫@個(gè)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(dāng)電極兩端達(dá)到1.2V之后，兩極電場就阻值了 化學(xué)能繼續(xù)反應(yīng)。當(dāng)電池兩端連接了理想導(dǎo)線和負(fù)載之后，理

4、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(fù)極接的導(dǎo)線獲得電子 也就是獲 得負(fù)電荷，這樣兩導(dǎo)線因?yàn)楂@得不同電荷，之間形成電壓差，也就是 電池電壓，這個(gè)電壓加在負(fù)載 R上，對負(fù)載R內(nèi)的自由電子做功，碰撞負(fù)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(qiáng)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?yàn)闆]有受到電場力的作用，所以整體均勻上講，是勻速運(yùn)動的，這個(gè)電子 也可以分布在導(dǎo)體內(nèi)任何位置移動。這里舉一個(gè)形象的實(shí)際例子，吊車把地面的石頭舉起來，石頭克服地球引力（等價(jià)于電池），之后平行搬移到另外一個(gè)地方（理想導(dǎo)線），放下石頭（對 負(fù)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(gè)回路的 電子都可以理解為勻速