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电路理论是与量子力学相关度更大的理论,不是传输线理论的简化

已有 5376 次阅读 2015-11-2 17:21 |个人分类:个人随笔|系统分类:科研笔记| 量子力学, 传输线, 电工学

大部分的学者(包括教科书)认为,电路理论是传输线理论的近似(在的情况下)。这是一种误解。造成这种误解的原因是,搞电路的人多重视应用性,没功夫顾及数学上的严谨性;而搞微波的人有些习惯性地想当然,在没有经过严格论证地情况下,把坡印庭能流推广到直流电。笔者认为,区分电路理论和传输线理论的适用范围,既要看l<<lamda,也要关注能流的方向和传播方式,不能一概而论。直流电作为特例,完全不存在坡印亭能流的传播,而仅仅是一种电势能的纵向传播,能量直接来自“源”。这有点儿类似虚光子。简言之,电路理论是与量子力学相关度更大的理论,而不是微波传输线理论的简化。

笔者提出这个学术观点,依赖于以下几个朴素的事实:

1、麦克斯韦方程不考虑源的作用

         当年麦克斯韦提出场论时,并不重视源的作用。从麦氏方程的角度讲,大家所提到的真空光速c仅仅是在均匀平面波的情况下成立。现在科学界已经非常清楚,均匀平面波仅仅是一种理想。传输线理论研究的是特定边界条件下电磁波的传输过程。它是一种局域性理论:它不考虑“波从哪里来,它去向哪里”。

  2、电路理论是考虑“源”的理论

        在电路理论中,“源”非常重要。理论体系以电压、电流、欧姆定律为主。其中,电压来自于电池,欧姆定律来自于材料特性。这方面的研究以凝聚态物理、固体物理为主,其研究对象是微观粒子及其变化规律,属于量子力学的范畴。微波传输线理论没有给电池设计、磁路设计等电工界关心的问题提供任何有效帮助。

   3、电路理论的本质是非匹配,而传输线理论则是阻抗匹配

   在电路理论中,理想电压源的输出阻抗是0欧姆,负载则随意。实际的动力电池内阻已经到达1豪欧姆以下,阻抗匹配在这里是一个要尽量避免的概念。传输线理论的核心则是阻抗匹配。如果想利用传输线理论计算输出阻抗极小的电路能流,将出现无穷大的反射系数,计算无法进行。黄志洵教授对此有严格论述。

   4、电力电子研究的主要问题是强非线性

   电力电子是当前的热点行业,新能源的发展离不开它。电力电子中所用到的三极管、二极管都是强非线性器件,而传统的传输线理论是很少研究非线性的。一些研究者发现,非线性条件下的传输线理论会出现相速度、群速度超光速的情况。

  5、直流条件下的光子能量为零

        赵凯华老师试图使用坡印亭能流来解释直流电的能量传播,这实际上是微波的观点的推广。根据E=hf直流电不应该有能量传输,这当然是荒谬的。事实是,直流电没有辐射,所以不存在光子,直流电只是不以辐射来传播能量罢了。它的能流来自电池电势所产生的纵向电场。对于源来说,势是比场更为基本的量。这恰好与量子力学中AB效应的结论有些类似。在电工学的研究中,电感、电容的特性与材料关系极大,而与周围的空间关系不大。一些学者把静场归结为虚光子,并且证明,外加场源后的真空态和无场源时的真空态是正交的。这也表明:直流电传输依靠坡印亭能流的观点是错误的。

   6、带有欧姆定律的麦氏方程不是波动方程

电磁波之所以称之为波,是因为无源的麦氏方程简化后变成亥姆亥兹方程,它是一个典型的波动方程。可是,如果我们考虑到欧姆定律,则此方程变成了混合形式:  。在低频下,更是退化为:    ,这是一个典型的扩散方程。从数学上讲,扩散方程与波动方程分别属于椭圆方程和双曲线方程。这是两个相对独立的分类,不能说谁是谁的近似。扩散方程的速度与定义有关,这在《电磁通论》中早有论述。在笔者已经发表的文章中,也有论述。

7、无线输电无法使用微波传输理论来解决

        由于能源传输的需求,无线输电是近年来的研究热点。奇妙的是,几乎没有人使用坡印亭能流来研究这个问题。MIT的研究人员喜欢用量子隧穿、量子共振的概念,国内的研究人员则使用电路及其共振理论,在实践上做出了很好的成绩。搞理论物理的则喜欢使用超材料等高大上的概念,可惜并没有取得比电工理论更好的实验结果。依笔者看来,这不是偶然的。因为电工理论本来就是和量子理论更加接近的理论,研究的核心是相互作用。微波理论的定域性反而无法描述这类现象。    

综上所述,电路理论是一套非匹配的、与源有关的、依靠导体传递能量的非定域理论;传输线理论则是一套匹配的、与源无关的、依靠介质传递能量的定域性理论。它们在数学上和物理上都是正交关系,不存在谁是谁的简化这样的问题。如果非要这样思考,不如先回答:对称性理论是非对称理论的近似呢?还是非对称理论是对称理论的近似?听说搞理论物理的人起了个新名词:超对称性(悟空,你好调皮!)。说得草根点儿,这个问题也可等同为:“在这个世界上,是男人重要呢,还是女人重要?”

记得科学网有位博主说:理论物理堕落地让人掉泪。笔者虽然没有说这话的资格,却也有同感。这个世界原本就是丰富多彩、对立统一的,如果非要简化,至少也得分清楚主要矛盾和次要矛盾,分清楚能量传输路径。并不存在什么Theory  of  Everything。梁昌洪老师说的好:当波导壁有损耗时,传播模式和截止模式之间的界限被模糊化了,整个模式体系基础发生了强烈的“地震”,被动摇了。如果物理学必须有一个哲学思想作指引的话,我相信这个思想更应该是对立的阴阳,而不是简单的上帝。

电工学理论从数学上看起来当然比传输线理论简单些,可是其物理思想上却更有深度。很少有资料谈及磁力线是什么?它在不同介质中的传输速度是多少?变压器中能量的传输依靠磁力线。由于楞次定律,传递能量的B恰好被抵消为0,数学方法在此失效。法拉第力线的概念则显得更有生命力。

仅仅为电工学正名,这还不够。我们更应该思考,是否我们忽略了某些被掩盖在数学简单性之下的物理复杂性?黄志洵老师提出要进行“三负”研究,即负折射率、负速度、负能量研究。前两者已经实现,负能量研究则仅在量子力学中有所提及。笔者认为,如果电路理论果真如笔者所预言,更加接近量子理论的话,负能量应该也可以在电路理论中找到。有这么几条线索可供思考:1、在重负载情况下,并联谐振回路的无功功率不断在和有功功率进行交换,其瞬时势能有可能进入负载。2、磁势能场在什么条件下是保守力场,什么条件下不是?3、磁致冷材料发生相变,从环境中提取了热能,已经实现cop系数大于5

电工理论是微波理论的老大哥,新材料又是新能源的基础。重新理解电工学,并给予其恰当定位,有利于我们树立自信,完成特斯拉前辈的伟大梦想。搞无线输电的朋友都懂的。







       






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