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信号到底是怎么传的?关于细节和态度的一些问题

已有 3649 次阅读 2016-5-1 09:44 |系统分类:观点评述

我在科学网上一般态度是“只说不讲”,因为具体讲东西实在是件很无聊也很欠揍的事情。课堂上的学生尚且觉得你讲问题细节影响他玩手机谈恋爱很扯淡,何况网上的人呢?并且我一直以为大学毕业还没满20年的人,不应该把学那点基础知识忘掉,所以一般我只说某某事情“问题”在哪,剩下的事情你就当个乐子算了。

但是张老师这事一出来,我发现还真有很多人忘东西的速度超光速,或者很多时候是强衰减,直接就不走脑子,本来不走脑子也不算啥,懒得想事情的话你就相信教科书或者相信上面那个啥啥,一般也不会有大错,但是偏偏完全不愿意走脑子,还整天要挂着一副“我是创新思维你们是守旧传统奴隶”去训别人,这也太没品了一点。

张老师的“问题”是什么,我前面几个文已经都点到了,所以这里不再讨论这玩艺。我现在说一点关于电路的细节,顺便说一下有些人的态度究竟有什么问题。

你有一个电源插座,从那里引出一对线,给一个灯泡供电,按下开关,灯亮了,这东西有三种教科书说法,第一种,电路好像水管,插座引出两根线,电流顺着火线跑到灯泡,中间在导线上损失一些能量,再在灯泡上做功,然后从地线流回插座,OK。第二种是传输线理论的说法:一对双平行线之间可以跑一种电压波,电压波顺着一对线向前传播,在灯泡那里因为负载不匹配,会有一部分被反射回来,没被反射的部分就消耗在灯泡上,同样因为导线的线损,导线有一定能耗。第三种是电磁理论的讲法:开关连接瞬间,在一个极小的局部出现了一个瞬时电流,引发出一个电磁脉冲讯号,这个脉冲以扰动前沿形式向外传递,逐步在导线间建立电场和磁场;电场和磁场构成一个电磁能流;但因为导线本身是强反射的,于是扰动基本上被限制在导线之间,导线作为一个空间上的障壁限制了能流只能往前跑,形成了一个在空间顺着导线的能量流;这个电磁扰动一直跑到灯泡,反射强度没那么大了,就会钻进去点亮灯泡。因为加的是交流信号,插座那里的瞬时电场磁场都在变化,引起后面依次变化。至于为什么导线会损耗能量?因为导线不是百分之一百反射的,有一些电磁能流会钻进去,当然很明显你看钻进去的量很少,因为电阻太小,反射率太大。

关于电磁理论这里破例讲一点常识细节:电场在导体外面和导体里面有所区别。在导体里面很简单,电场基本上是顺着电流方向的;在导体外面,电场有两个部分,一个是由于火线和零线之间有电压,所以有一个火线和地线之间的电场,这个基本上可以认为是垂直于导线表面,至于向外还是向里要看电压方向;另一个是因为电场的切向分量连续性,导线外皮附近,要有一个平行于导线走向的电场,不过这个电场完全是导线内电场衍生出来的,而导线内电场很弱(电导大,电场就小),所以这个场也很小。最后,Poynting能流是顺着电场和磁场的叉乘方向,所以你看横向(垂直于导线表面)那个电场诱导的是顺着导线方向传输的能流,而纵向(顺着导线走向)那个电场诱导的是钻进导线内部的能流。电灯泡电导比导线小很多,对应的纵向电场就大很多,从而钻进灯泡的能流比钻进导线的大得多。

我说过不谈细节,所以就给大家画个图意思一下就得了。

那么徐晓王又法他们现在纠缠的是什么呢?事情是这样的,这里画的图,上下两根线是等长的,所以不管你把开关开在火线上还是开在零线上,按下开关,灯亮的时间都是一样的,在第一种情况下是电流从火线到达灯头的时间;第二种情况下相当于把电路看成水管,水流放空一直放空到灯头那里的时间。然后这帮人在那里纠结的事情是,假如火线和地线不一样长,那么水管观点和传输线行波观点究竟哪个正确?

要我说这就是没有啥意思的一个事,因为传输线理论是神马玩意呢?那就是把电线当成一堆连在一起的小电路(所谓分布参数)然后做出来的理论,所以如果电路理论没错,传输线理论也就不可能错。问题只是在现在这个情况下传输线理论本身有没有问题。这个问题的来源大致是这样的:传输线理论里面把一对电线拆成一系列小电路元件,比如说一系列电容和电感,然后认为附加电感和电容的大小正比于线长,就出来了电压波和电流波形式。那么如果线的上下长度不一样,那么附加电感和电容就不见得是按照上下那根线的长度,或者干脆两个都不对。特别是,传输线上的电压波波速(相速度),是按照附加电感和电容的公式算出来的,如果实际电感和电容不对,那对应的波速就完全不对。(原谅我再说一个细节:电感是什么?是充电时候的磁能和电流平方的比值;电容是什么?是充电时电场能和电流平方的比值。对于双平行长线,电磁场基本上是线间各点类似的,所以线性规律成立,但如果线长不一样,或者弯成各种奇怪的形状,比如说我们经常用的平面电感,它的电感和电容都不能按照线性定律处理,这时候需要修改传输线方程中的集总参数表达式,几米长的线弯曲形状差不多就在这个区域)

至于张老师说的在短尺寸下传输线理论不能用,肯定没那回事,因为实质上传输线理论就是拿分布参数和一对共轭复数重写了电路方程而已。区别是(1)电路中各种集总器件的存在需要在传输线方程里面添加一组反射参数,也就是徐晓提的那个文章的说法,(2)在张老师这个情况下是还要考虑一下分布参数和线长成正比规律对不对,也就是传输线理论中给的波速对不对的问题。

但具体到徐晓,其实他纠结的想法也是没意义的,传输线理论没错,和他直接测那堆东西有没有意义,没啥直接关系。反射时候的相位移动是什么?当线路上处处LCR都匹配的时候,各点的分布电容在协调一致地充电放电,这是行波形态;当有一个地方不匹配的时候,这里充放电就会错位,就形成了相位移动。而怎么形成的不匹配?肯定是某个地方的LCR发生了变化,不等于标准的双线参数了。所以说想要区分LCR充电效应和反射延时,本身是个没有办法做到的事情,你只能区分到底是集总参数的LCR还是分布参数的LCR

现在我要说是态度问题:纠结这些和做这堆实验,对张老师主张的“交流电的纵向电场速度”,有意义吗?回答是,一点也没有。张老师的问题是做的东西和他主张的东西一点关系都没有,徐晓和王又法也一样,因为他们测的实际都是电压波或者线间能流的信号延时,不管是群延时还是相位移动,而这个信号相当于电磁理论中在空间行走那部分,和张老师纠结的“纵向电场”,完全没有关系。纵向电场诱导的是进入导线被导线电阻热损的那部分。既然是完全无关的问题,你们纠缠个什么劲?

最后批评徐晓一句,他在回答别人的评论的时候提到他问一个小盆友如何从“电磁场由光子构成”角度理解静电和静磁,其实这是典型的“在错误概念下提错误问题”的行为。因为实际上光子概念远没有那么简单,做量子化的时候辐射场和纵场是要分开处理的,而且也不是说电磁场量子化出来的东西就肯定是个光子。

最后再重申一遍态度:人生艰难,找乐子为先,不要纠结。自己纠结已经是很容易抑郁的事情了,如果因此再扯上不纠结的人,更不应该。尤其是,如果纠结的原因仅仅是自己忘性超光速或者心情不好非要找个靶子打一枪的话,那就完全没治了。

 



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