导线中的电能是如何传输的?

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楼主: HWM
| 2011-2-7 23:55 | 显示全部楼层
嗯, hartcomm的观点很好!
而楼主从理论高度来解释,也是抓住了纲

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| 2011-2-8 10:45 | 显示全部楼层
向HWM学习,收获不少

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| 2011-2-9 00:25 | 显示全部楼层
一种是广泛意义上的所谓基础模型及在此基础上建立的理论体系,另一种是在条件约束下的具体应用,属于不同的层面,应用的领域也不同。

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| 2011-2-9 18:54 | 显示全部楼层
浮云啊   没太看懂  呵呵  慢慢看

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| 2011-2-11 11:09 | 显示全部楼层
NICE

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| 2011-2-11 13:06 | 显示全部楼层

请教HWM老师

您说到:
“就算是直流,能量也还是从空间走,基本没导线什么事。导线在此同样还是起着引导电磁场的作用。由于实际导线非理性或超导,会有一定的能量“渗入”导体,而如此便形成一定量的损耗。由此可见,导体内并非传递能量,反之却是在损耗能量。”
———————————————————————————————
    我不能理解。想请教下您。
其一:按您的理解,即便是直流只是会有一定量的能量渗入导体中。空气介质的电导率和磁导率都比导体小的多啊,电磁波为何喜欢走难走的路呢,仅仅只是会有一部分渗入导体中,而我一直认为是几乎全部“渗入"导体的,不知该怎么理解您的意思;
其二:按您的意思我们的电路中的导体流过的宏观电流I是空间传播的电磁波的
部分定量反映,那么我们在低频时经常计算的功率1/2 U*I按理说也只是”渗入“的那部分能量,而按poynting 电磁波能量元的面积积分也是1/2 U*I,这不能说明在低频下能量还是通过导体传输的吗?

      本人愚钝,请HWM老师明示。 谢谢!

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| 2011-2-11 17:04 | 显示全部楼层
不管是高频还是低频,其本质都是坡印廷矢量引起,只不过在实际应用中只讲现象,用表象参数而已。

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 楼主 | 2011-2-12 00:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 HWM 于 2011-2-12 00:07 编辑

to 26L:

你提的问题很好,是一个电工用“管子工”的观念去理解“电路”之必然结果。这不能怪你,是从“典型电路”入门所致。

电能有两种形式,其一是电场能,其二是磁场能。电池内储存的是化学能,由化学能驱动电子定向运动形成电场能聚集在电池的正负极两端间。如果不接负载,化学势能和电势能平衡后就不再有电流,其电能也就固定在了电池的附近,不会流动。若通过导线引到负载(未接上负载),电池附近的电场能将被导线引导致负载附近。光有电场还不够,此时并无能量流动(看Poynting矢量)。但一旦接通负载后,就有了磁场(根据安培定律),此时根据Poynting矢量(EXH),便知有了能量的流动。

再看看导线内的情形。如果是理想导体,那导线内的电场强度为零,电流也只是存在于导体的表面,磁场基本也是只存在于导体表面之外。所以导体内部是不可能有电能存在,故也就无所谓传输能量了。如果是良导体,会有一小部分能量渗入导体内,方向基本是由外到内的斜入射(具体看矢量EXH)。由于良导体对电磁能量的衰减很快,进入到导体内的电能没走多远就已经变成了热能被耗散了。

上面所讲的“故事”不仅对交流电成立,其对直流也是如此。这一点,如果有《电磁学》相关知识的话,完全可以自己算一下。结果会发现电能的流动是多么“姿态优美”,而并非被关在某条管子(导线)内流动。

最后再提醒一句:你们是学电的或从事与电相关的行业的,你们不是“管子工”,别拿管子类比电路。这种类比实在是害人不浅。

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 楼主 | 2011-2-12 00:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 HWM 于 2011-2-12 00:43 编辑

关于电流和电压:

严格来说,只有在静电场内才可以讨论电压,因为静电场是保守场,通过任意途径测量两点电压都是唯一值。而非保守场就没有唯一值,故也就失去了电压意义。电流同样如此,只能在静磁场中讨论。

通常我们看到的低频电路都可归类为准静电场和准静磁场,所以可以在“准”的意义下讨论电流和电压。有了电流和电压,并不是就没了场。电流和电压只是场量的积分,是场的缩影。

高频电路中,一般把传输线都看成是近似的理想无损情况,其中走的也通常是TEM导波。由于理想传输线中TEM波的横截面分量在二维平面上是“二维保守场”,所以可以引入电压和电流的概念,但他们的基础还是场量的积分——即场的缩影。通常实际导线是非理性的,所以说同样是在“准”的意义下引入了电压和电流。但,如果是波导管,由于不存在TEM导波,电流和电压其所谓“准”的意义也不再有了,只能用功率波来替代。

电路中的电流和电压概念给我们分析问题带来了极大的方便(如同KVL和KCL)。但要明白,他们只是现实的抽象和近似,而非原本。

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JLennon + 3 很给力!
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| 2011-2-12 08:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 xusnwise 于 2011-2-12 08:52 编辑

谢谢HWM老师的解答,俺慢慢去领悟。

这样说来, 我们电路中的导体只是起着“引导”电磁波的作用,引导的同时还损耗了一些电磁能。

我又想到了像变压器之类的电子器件,是不是它从原边到次边传输能量也是靠空间电磁场,而磁芯
也只是起“引导”作用,并且由于铁氧体或硅钢片之类的并非是理想或超磁材料,它们也同样损耗
了一部分电磁能。 
  而绝大部分的书里都是讲磁力线基本都在磁芯内部,变压器的能量传输是不是也像电路一样在空间通过坡印廷矢量而不在磁芯内部呢? 不知这个该怎么理解。
不知HWM老师怎样看这类东西,  谢谢您的指教!

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| 2011-2-12 08:52 | 显示全部楼层
看来大家对场还是比较崇拜的。
俺从高中的时候就对场有过详细的研究,当时问老师 平行板电容器 靠近板子的地方为什么电场强度和中间的一样,老师用大学里会学到的高斯定律给予了解释,于是俺又对高斯定律产生了怀疑。
你想想嘛,平方反比啊,当然离电场近的积分起来大啊,总场强也就是大啊,怎么可能一样呢?那样电场线应该会凭空产生出来一根的。而不是书中说的那样,根数(密度)和强度是正比例的。
还有高中物理上的万有引力的时候,地球简化成的质点,无论对方是在哪里,都是在地球的几何中心。
刚好有个同学他伯父教大学数学的,从他那里学会了微积分(山东高中不学微积分),自己推导之后发现。老师从“场”的理论比如高斯定理等轻松推导出来的结果,有个前提,那就是“场”。

对于重力场,电磁场,磁力线、电场线模型等等等等,这些的一个“充要条件”,就是 平方反比定律。
如果一个力,不符合平方反比定律,那么就不能用场的理论去解释。 比如弹簧的弹力,他是反向正比的。
如果一个力符合平方反比定律,那么肯定可以用场去解释。

下面对空间只有一个符合库伦定律的 点 电荷,任意一个包含它的空间的“皮”,这个皮上的电场长度的积分为固定值,也就是穿过这个皮的电场线为固定值。给予证明。
(平方反比对平方正比积分为常数)
下面对空间只有一个符合库伦定律的 点 电荷,任意一个不包含它的空间的“皮”,这个皮上的电场长度的积分为0,也就是穿进过这个皮的电场线和穿出的电场线相等。给予证明:
(...)

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| 2011-2-12 08:55 | 显示全部楼层
静电场看建立过程。
建立后,电磁场仅仅是维护功能。 就跟潮汐一样,月亮的万有引力远小于地球的万有引力,但是它还是决定了地球的潮汐和农历的阴历对应。
也就是强大的力量已经看不见了,也许您会说还在,但是它并没有使地球的水以加速度9.8m/秒方向地心运动。

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| 2011-2-12 08:59 | 显示全部楼层
MARK下。。上学时 电磁场与电磁波 就压根打酱油了。。期待大虾来下容易理解的讲解。

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 楼主 | 2011-2-12 21:16 | 显示全部楼层
to 30L:

“变压器的能量传输是不是也像电路一样在空间通过坡印廷矢量而不在磁芯内部呢?”

变压器中的磁芯是起能量中转的功能。在一个周期中原边会有电磁能量注入磁芯,且会由次边流出(如果接入负载)。其中的电能流同样是用Poynting矢量描述。

变压器可以说是无源器件中最为复杂的,但同样可以用电磁学理论分析,只是用解析方法描述非常困难而已。因此一般只能利用近似模型来分析。

建议不妨从简单的器件入手,看看电能是如何从空间中流动的。下面给出几个理想模型,供思考:

1)负载电阻

设有两块非常大的导电板(由理想导体构成),板间跨接一根普通导体(构成负载电阻)。两导电板接入一个理想电压源。分析板间那根普通导体的耗能和电能流的分布。

2)电容

设一个电容由两块圆板构成,接上电源充电。分析电容极板间的电场能的来源,电能流大致是怎样的。

3)电感

设有一个单层密绕的螺线管,通电后分析磁能是如何流入螺线管内的。

4)绕在环形铁芯一侧的线圈

铁芯一侧绕有线圈,另一侧铁芯裸露。通电后大致分析一下流入铁芯的能流分布。

5)在两片理想导体构成的平板传输线内放置一块普通导体(电导率有限),仅和一边接触或悬空(即不同时连通两导电板)。在传输线一端接上直流电压源,而另一端接入负载。分析传输线内的能流分布(特别是那块普通导体内的分布)。



提示:先找出电场和磁场的分布(注意必须包括由位移电流所产生的磁场分布和由变化磁场而形成的感生电场)。

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| 2011-2-13 09:02 | 显示全部楼层
场理论中,对于静态的,有个等势面,分析静态的比较好用。

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| 2011-2-13 09:06 | 显示全部楼层
太深奥,基本看不懂

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| 2011-2-13 16:44 | 显示全部楼层
电磁学忘得差不多了

这个跟那个特斯拉线圈原理有无关系?

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| 2011-2-13 16:59 | 显示全部楼层
37楼:
“这个”是指什么?

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| 2011-2-13 22:45 | 显示全部楼层
是啊 能量是蕴藏在场里,导线(电导率很大)的东西,就是说电阻小,就是说其内部电势差很小,一般认为是零,所以导线就把同一电势传递到不同的位置。电势这东西就跟地势一样,就像重力势能。比如说攻城战中,守城的将士将重物抬到城墙上,用来砸下面的敌人,它可以把它运到东边城墙,也可以运到南边。重物在城墙上运输没有势能差,就像电能在导线中传输一样。那到底能量是在哪里呢?你可以说是在地面到城墙上这段高度的引力场上分布着,也可以说能量在中午上,换个参考系,你还可以说在地面上,本质上能量是在这个系统中,这个系统中没了谁,其他的都会消失,所以对这样一种事实,怎么认为都是等价的。

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| 2011-2-13 22:48 | 显示全部楼层
认为就像能量蕴藏在电源线中,地线和电源线本质是地位平等的,你当然也可认为能量在地线上,也可认为能量分布在电源于地线之间的场间。

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