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导体中电场传播的速度

已有 6345 次阅读 2015-2-12 17:46 |系统分类:观点评述

直流电场以什么速度在导体中建立?直流电能量传递方向到底是垂直电场方向还是平行于电场方向?我注意到有不少人对此感兴趣,也曾有过一些讨论。张老师和樊老师最近的的低频电信号在金属导体中的传播速度的实验,也可能是想研究第一个问题。最近关于超光速的讨论,让我认真思考了第一个问题,并有了一些想法,在此与大家分享。

首先我们看看交流场建立的情况。 在微波和光波段,无数实际应用表明他们以介质中的光速传播。那么,低频 (50Hz 或更低)信号段又如何呢?Maxwell 方程并没显示方程会随频率变化,因而,无论低频高频还是微波或光波都满足Maxwell 方程。 也许有人会说他们不一样:低频电路满足普通电路理论,而微波只满足Maxwell 方程。其实不然。 一个电路/器件是用电路理论来描述还是用Maxwell 方程描述,并不取决于信号的频率,而是取决于器件的大小与信号波长之比。如果器件远远小于信号的波长,如低频电路,就用普通电路理论。还有如用65nm半导体技术设计微波芯片 (40GHz),其三极管 (nm 和um 量级) 远远小于信号波长 (~5mm),因而三极管用普通电路理论设计,而其输入输出电路和偏置电路与波长接近,则必须用Maxwell 方程设计。

如果电路/器件大于或接近信号波长,则必须用Maxwell 方程和相关的导出理论来研究。比如远距传输的高压线路(50Hz/60Hz)就是采用传输线理论设计的。这样我们可以得到这样一个结论:交流电场以介质中光速传播的。

那么直流场呢?其实我们并不可以直接传播直流场。直流场的传播过程是一个阶跃波形场的传播过程。因而其建立速度应该是介质中的光速。



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