电路中能量传输问题探讨.docx
- 文档编号:4452550
- 上传时间:2022-12-01
- 格式:DOCX
- 页数:7
- 大小:239.93KB
电路中能量传输问题探讨.docx
《电路中能量传输问题探讨.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电路中能量传输问题探讨.docx(7页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
电路中能量传输问题探讨
电路中能量传输问题探讨
部门:
xxx
时间:
xxx
整理范文,仅供参考,可下载自行编辑
电路中能量传输问题探讨
摘要:
由于麦克斯韦方程组的讨论引出坡印廷矢量,这个反映了电磁波能量的传播方向,因而便有许多人把这个矢量应用于导体电路,认为导体电路中的能量也是通过电磁波在空间传输的。
关键词:
麦克斯韦方程组,电磁波,坡印廷矢量,导体电路,能量传输途径
经过对麦克斯韦方程组的讨论,我们得到了一个特殊的矢量——坡印廷矢量,该矢量表达式为
,它代表单位时间从某面积流过的电磁能量,而且、 、 这三个矢量的方向总构成右旋关系,电磁波能流密度矢量 的方向总是沿着电磁波的传播方向。
b5E2RGbCAP
于是,人们便把该公式进行推广,认为该公式不但适用于电磁波的能量传播,而且适用于导体电路导电时的能量传输。
p1EanqFDPw
1、经典直流电路中能量传输的分析
赵凯华、陈熙谋编著的《电磁学》<-2版,-北京:
高等教育出版社,1985.6(2000重印>)中是这样分析的(下册第826~827页>:
在电源内部<图8-19a)有电源力 ,电流密度 。
这里
与
方向相反,且,故 与 的方向一致,与
的方向相反。
所以在电源里坡印廷矢量 沿垂直于 的辐向向外,即电源向外部空间输出能量。
在电源以外的导线里,<图8-19b、c),
与 方向一致,故沿垂直于 的辐向向内;导线外的电场 一般有较大法线分量,但因切线分量连续,导线表面外的电场或多或少总有一些切线分量的,这切线分量与和电流方向一致。
由此可知导体表面外的坡印廷矢量 的法线分量总是指向导体内部的。
一定,电导率 越大, 本身和的切线分量越小,导体内的S和导体外S的法线分量就越小。
在
的极限下,导体外的S
与导体表面平行。
至于S的切线分量的方向,则需分两个情形来讨论。
DXDiTa9E3d
在导体表面带电荷的地方<图b),的法线分量向外,S的切线分量与电流平行;在导体表面带负电的地方<图c),的法线分量向内,S的切线分量与电流反平行。
RTCrpUDGiT
综合以上所述,我们来看整个电路中能量传输的情况。
如图8-19d,设电路由一个电源、一个电阻R较大的负载和电阻很小的导线组成。
在靠近电源正极的导线表面上带正电,在靠近电源负极导线上带负电。
图8-19d中的小箭头代表S,即能量流动的方向。
按照上面的分析,能量从电源向周围空间发射出来,在电阻很小的导线表面基本上沿切线前进,流向负载。
在电阻较大的负载表面,能量将以较大的法线分量输入。
在导线表面经过折射,直指它的中心。
由此可见,电磁能不是通过电流沿导线内部从电源传给负载的,而是通过空间的电磁场,从导体的侧面输入的。
5PCzVD7HxA
2、正确理解坡印廷矢量
上面的分析正确吗?
笔者表示怀疑,首先,我们就坡印廷矢量进行剖析,我们需要了解的是该矢量表达式中的和这两个矢量特别是到底代表什么。
相信,很多人一见到这个问题一定会给一个十分肯定的答案——电场!
但是笔者这里要问的是这是什么电场,是与具有相同相位的感应电场还是电路中的电压分配电场?
这里的答案是什么清楚的——是具有相同相位的感应电场,而不是电路中的电压分配电场!
jLBHrnAILg
既然如此,上述的经典分析中就犯一个偷梁换柱的错误,把电路中的电压分配电场当成为与同相的感应电场。
所以,上述分析是错误的。
xHAQX74J0X
3、上述直流电源中没有与电流反向的电场
笔者在《电源论》《电源论<二)》《电流论<三)》《金属导体导电原理》等文中一再说明,没有接通外电路的电源内部没有稳恒电场,接通外电路后,整个电路<包括电源内电路、外电路)只存在一个闭合的由电源正极经过外电路负载指向电源负极,再经电源内部指向电源正极的电场。
该电场不是稳恒电场,它不满足稳恒电场:
LDAYtRyKfE
。
该电场的环路积分为:
。
麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式
随着交变电流的研究和广泛应用,人们对电磁场的认识有了一个飞跃。
由实验发现不但电荷激发电场,电场激发磁场,而且变化着的电场和磁场可以互相激发。
和恒定场相比,变化电磁的新规律主要是:
法拉第电磁感应定律和麦克斯韦位移电流假设。
通过对变化的电磁场的研究,麦克斯韦总结出了电磁场运动的普遍规律——麦克斯韦方程组Zzz6ZB2Ltk
<1)
<2)
<3)
<4)
这组方程组反映一般情况下电荷电流激发电磁场以及电磁场内部运动的规律。
其最重要的特点是它揭示了电磁场的内部作用和运动。
不仅电荷和电流可以激发电磁场,而且变化的电场和磁场也可以互相激发。
因此,只要某处发生电磁扰动,由于电磁场互相激发,它就能在空间中运动传播,形成电磁波。
更揭示了电磁场可以独立于电荷之外而存在,这样更为电磁场的物质性提供依据。
dvzfvkwMI1
自然界的事物都是互相联系、互相制约的。
电磁场与带电物质之间有密切的联系。
麦克斯韦方程组反映了电荷激发场以及场内部运动的方面,至于场反过来对电荷体系的作用,在库伦定律和安培定律中已经在一定条件下反映出来:
静止电荷Q受到静电场作用力
,恒定电流元
受到磁场作用力
。
若电荷为连续分布,其密度为
,则电荷系统单位体积所受的力密度
为rqyn14ZNXI
<5)
上式被称为洛仑兹力密度公式。
对于带电粒子系统来说,若粒子电荷为q,速度为
,则
等于单位体积内
之和。
把电磁作用力公式作用到一个粒子上,得到一个带电粒子受到电磁场的作用力EmxvxOtOco
<6)
这个公式称为洛仑兹力公式。
麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式,正确地反映了电磁场的运动规律以及它和带电物质的相互作用规律,成为研究电磁场的物质性的理论基础,下文将会用到它们来证明电磁场的物质性。
SixE2yXPq5
4、通电导体周围的坡印廷矢量方向的判断
既然上述的分析中偷换了电场概念,把电路中电压分配电场当成与电流磁场同相的感应电场进行分析,那么,正确的分析应如何进行?
首先必须把导体周围的感应电场方向弄清楚,为了方便,笔者先就以下几种情况的感应电场进行分析。
6ewMyirQFL
力矩(torque>:
力(F>和力臂(L>的叉乘(M>。
物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离。
即:
M=L×F。
其中L是从转动轴到着力点的矢量,F是矢量力;力矩也是矢量。
右手螺旋定则:
表示右手螺旋柄的旋转方向与螺旋前进方向之间相互关系的法则。
由两个矢量的矢积<亦称叉乘或叉积)得出的第三个矢量的方向可由此定则确定。
若C=A×B,把由A经小于180°的角度转向B的方向取为右手螺旋柄的旋转方向,则螺旋前进的方向即为C的方向。
显然C垂直于由A、B构成的平面。
kavU42VRUs
表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则,也叫右手螺旋定则。
(1>通电直导线中的安培定则<安培定则一):
用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指的指向就是磁感线的环绕方向;y6v3ALoS89
(2>通电螺线管中的安培定则<安培定则二):
用右手握住通电螺线管,使四指弯曲电流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。
左手反之。
带电体系所带的电场能量则可以看作电荷的静电场能量,即等于外力M2ub6vSTnP
5、变化磁场的空间
如图1所示,当条形磁铁在空间向下运动时,在磁铁正下方产生了一个感应电场同时产生了一个感应磁场,其中,和的方向我们可以楞次定律进行判断,如图1的E和B的方向所示。
根据和的方向,我们可以判断当条形磁铁向下运动时,它产生的电磁能量的波印廷能流密度矢量的方向是垂直于条形磁铁的运动路线向外发散的。
0YujCfmUCw
6、变化电场的空间
如图2所示,一平行板电容器通过导线连接在一直流电源上,当开关闭合后,电容器在充电过程中,电容器因电场变化而产生的感应磁场和感应电场的方向如何。
eUts8ZQVRd
当开关闭合后,电流开始流过电路,给电容器充电,电容器内电场开始增大,由于增大的电场相当于与电流同向的位移电流,所以它产生的感应磁场B可用右手螺旋法则判断,如图2 由此我们可以根据感应电场和感应磁场的方向判断电磁波能流矢量S的方向<如图2 sQsAEJkW5T 7、电流周围空间 通电直导线周围的空间存在着感应磁场和感应电场, 感应磁场的方向可用右手螺旋法则判断,其感应电场总是与电流方向相反。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电路 能量 传输 问题 探讨
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)