“簡 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，這對于電路分析中以集中參數(shù)器件為主要簡化模型分析來說是一個有趣的補充。這可以為進一步理解電路特性中的一些分布式現(xiàn)象帶來更深刻的理解圖景。

”

關(guān)鍵詞： 電能，電磁場，電路

01 電能流動

??通常情況下，電子專業(yè)學(xué)生都會假設(shè)電能是在金屬導(dǎo)線內(nèi)部進行傳遞的，但學(xué)習(xí)物理的同學(xué)則不是這樣看的！實際上電能并不在金屬導(dǎo)線內(nèi)部流動，真實場景是，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進行傳遞。下面的配圖顯示了其中的細節(jié)。

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

??電路中的電容存在是因為在電路中上下兩簡單電路部分存在著電位差，而電感的出現(xiàn)是因為在每條通有電流的線路周圍都會出現(xiàn)磁場。這些電場、磁場的形狀則會顯示出電能在線路中流通并不依賴于單個電子，也不依賴于電線內(nèi)部的緩慢定向移動電子。相反，電能的傳遞則是靠電線周圍空間中的電磁場來完成的。

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

??整體上來看，一個電路就像一個傳送電能的管道，只不過，這個輸送管道并沒有外部實際的管道壁。

02 圖例說明

??下面通過一些實際圖例來說明電能傳送過程。

??下面 是一個由電池、電阻（比如燈泡）連接而成的簡單閉環(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，電阻會發(fā)熱。

??所有導(dǎo)體中都包含有可以移動的電荷。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，就形成了電流的閉環(huán)通路，其中充滿有流動的電荷。電池的作用就像一個流體中的飛輪，隱藏在管道 中一個封閉環(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。請注意，為了能夠顯示出這個環(huán)形的磁力線，在繪制的時候?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。如果真實繪制，則只能看到這些環(huán)形線的側(cè)面邊緣。

??上面的磁場也被稱為：B-Field。

??如果將電路轉(zhuǎn)換一個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，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)于兩個分離的導(dǎo)體，一組充有多余正電荷，一組充有多余的負電荷。

??上下兩組充有電荷的導(dǎo)線相當(dāng)于電容的兩個電極。電力線則從一個電極發(fā)出通往另外一個電極。下圖顯示了兩個電極周圍的電場分布。這是一個側(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3D斜視圖。由電池、電阻分開的兩個一半電路，充有相反電荷，周圍形成了電場分布。

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

??下面給出了復(fù)合在一起的電場與磁場的三維斜視圖。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場時，它們總是相互垂直，下面圖中就顯示了這種場景。

??電磁能量由電池發(fā)出，進入電路周圍的空間。能量的流動方向是沿著導(dǎo)線平行的方向，然后進入負載電阻。能量流動場是B-矢量場 叉乘 E-矢量場。

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

??在下面能量流動場與磁場圖中，能量流動方向也和磁場方向垂直。

??如果將所有獨立不可見的物理場繪制在一起，你也許會理解為什么電力傳輸真正理解起來還是需要動一點腦筋的。

??下面這張圖也僅僅是一張二維圖片：顯示了電路周圍場分布的側(cè)視圖。真正的場是三維的，充滿了電路周圍的空間，所以精確繪制出的場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。北斗智能車擬實現(xiàn)智能小車在北斗定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下自動進行定位和移動并完成簡單的比賽任務(wù)。

在規(guī)定時間內(nèi)，導(dǎo)航小車從起點出發(fā)，通過北斗導(dǎo)航按順序依次到達帶有標號燈的位置并準確點亮燈，可選擇經(jīng)過無線充電樁進行無線充電，在裝貨區(qū)載著貨物到達終點，比賽全程要準確通過多個門，全程禁止使用基于無線電收發(fā)系統(tǒng)的手動控制（遙控器或者手機 APP）。