電路中能量和信息傳輸?shù)奈锢矸治?/h1>
2013-03-25 04:59:26邱怡申
黃 艷，邱怡申
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電路中能量和信息傳輸?shù)奈锢矸治?/p>
黃 艷1，邱怡申2
（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000；2.福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007）
基于電磁理論分析電路中的能量和信息傳輸。能量以電磁能流形式從電源經(jīng)空間輸送到負(fù)載，傳播速度為光速。而信息由電子荷載在電路中傳輸，其傳輸速度取決于電路參數(shù)。
電子電路；信息；能量；傳輸
1 引言
在傳統(tǒng)的電路教學(xué)中，由于主要關(guān)心的物理量是電流和電壓等可測(cè)量的規(guī)律和計(jì)算，對(duì)電磁場(chǎng)的作用卻很少涉及，這給人的感覺(jué)是電路理論主要是技術(shù)的而非物理的問(wèn)題。這對(duì)實(shí)用的工科教學(xué)是沒(méi)有問(wèn)題的，但從物理教學(xué)的角度，如果不能從電磁場(chǎng)的基本原理去理解的話，就有一種物理的無(wú)知感。更不幸的是，不少教師傳遞給學(xué)生的還是錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，例如，很多人認(rèn)為電路中的能量是從電源通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)截?fù)載的，這是極其嚴(yán)重的錯(cuò)誤。至于信息的傳輸，很少有通俗的論述。
2 電路中能量和信息傳輸?shù)奈锢斫忉?/h2>
本文以電路中電容器的充放電為例，從電磁場(chǎng)理論出發(fā)，分析電磁場(chǎng)和電壓的傳播途徑和規(guī)律，指出能量輸運(yùn)的載體是電磁場(chǎng)，以玻印廷矢量從電源經(jīng)空間傳輸?shù)截?fù)載，傳遞速度是光速；信息傳輸?shù)妮d體是電子，從電源經(jīng)電路輸送至負(fù)載，傳遞速度取決于電路的RC延遲時(shí)間。電路中的導(dǎo)線起兩種作用，一是引導(dǎo)電磁能量從電源輸送至負(fù)載；二是信息傳遞通道。
根據(jù)電磁理論，某區(qū)域內(nèi)的電磁能量守恒定律為[1]
根據(jù)玻印廷矢量，能流方向是從電容器的側(cè)面流入電容器的（如圖1-c）。所以電磁能量是從電源通過(guò)空間以場(chǎng)的形式傳遞到電容器，傳遞速度是光速，而不是如同經(jīng)常被誤導(dǎo)的那樣通過(guò)電流在導(dǎo)線中傳播。那么我們是否可以得出信息傳遞方式與能量傳輸是相同的結(jié)論呢？回答是否定的。
信息可直觀地理解為某一物理量的時(shí)變規(guī)律。在數(shù)字電路中最常見(jiàn)的是脈沖數(shù)據(jù)串。在電路中，信息的感知是通過(guò)電流或電壓信號(hào)來(lái)傳遞的。這一信息傳遞的物理過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)呢？仍以電容器的充放電為例分析。
圖2 RC積分電路
如圖2所示的RC積分電路，設(shè)從輸入端輸入一個(gè)幅度為s，脈沖寬度為k的矩形脈沖i()。這個(gè)電路輸入與輸出電壓的關(guān)系為：i()=R()+o()，其中R()為電阻上的電壓降，o()為電容器上的端電壓，即該電路輸出電壓。當(dāng)輸入信號(hào)i()從0階躍到s時(shí)，電容器被充電，其兩端的端電壓由于電容的存在不可發(fā)生躍變，電路的輸出電壓為[2]
按照（4）式，該電路的輸出電壓波形如下圖所示。
3 結(jié)論
從以上分析可知，就電子信息而言，作為信息的載體是電子，而作為能量的載體是電磁場(chǎng)或光子。對(duì)于光信息情況有所不同，光子即是能量載體又是信息載體。人類(lèi)之所以發(fā)明了電子信息科技和光信息科技，是因?yàn)槲锢韺W(xué)發(fā)現(xiàn)，電子和光子是自然界最穩(wěn)定的基本粒子，所以很自然地成為信息傳輸?shù)妮d體。
[1] 馬科斯·玻恩.光學(xué)原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：20-24.
[2] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003：431-435.
Physical Analysis of the Transmission of Energy and Information in the Electronic Circuit
Huang Yan1，Qiu Yi-shen2
（1.Electronic Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Fujian,363000,China 2.College of Photonic and Electronic Engineering, Fujian Normal University，F(xiàn)ujian,350007,China）
The transmission of energy and information of electronic circuit is discussed by using the theory of electromagnetism. The results shows that the energy is transferred from electrical source to the electrical load by the form of electromagnetic energy-flux with the velocity of light, whereas the information is transmitted by the electrons in circuit and the speed of transmission depends on circuit parameters.
Electronic circuit; Information; Energy; Transmission
O441.4
A
1673-1417（2013）01-0036-04
2013－01－05
黃艷（1983－），女，福建閩清人，助教，碩士。
（責(zé)任編輯：季 平）
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電路中能量和信息傳輸?shù)奈锢矸治?/p>
黃 艷1，邱怡申2
（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000；2.福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007）
基于電磁理論分析電路中的能量和信息傳輸。能量以電磁能流形式從電源經(jīng)空間輸送到負(fù)載，傳播速度為光速。而信息由電子荷載在電路中傳輸，其傳輸速度取決于電路參數(shù)。
電子電路；信息；能量；傳輸
1 引言
在傳統(tǒng)的電路教學(xué)中，由于主要關(guān)心的物理量是電流和電壓等可測(cè)量的規(guī)律和計(jì)算，對(duì)電磁場(chǎng)的作用卻很少涉及，這給人的感覺(jué)是電路理論主要是技術(shù)的而非物理的問(wèn)題。這對(duì)實(shí)用的工科教學(xué)是沒(méi)有問(wèn)題的，但從物理教學(xué)的角度，如果不能從電磁場(chǎng)的基本原理去理解的話，就有一種物理的無(wú)知感。更不幸的是，不少教師傳遞給學(xué)生的還是錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，例如，很多人認(rèn)為電路中的能量是從電源通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)截?fù)載的，這是極其嚴(yán)重的錯(cuò)誤。至于信息的傳輸，很少有通俗的論述。
2 電路中能量和信息傳輸?shù)奈锢斫忉?/h2>
本文以電路中電容器的充放電為例，從電磁場(chǎng)理論出發(fā)，分析電磁場(chǎng)和電壓的傳播途徑和規(guī)律，指出能量輸運(yùn)的載體是電磁場(chǎng)，以玻印廷矢量從電源經(jīng)空間傳輸?shù)截?fù)載，傳遞速度是光速；信息傳輸?shù)妮d體是電子，從電源經(jīng)電路輸送至負(fù)載，傳遞速度取決于電路的RC延遲時(shí)間。電路中的導(dǎo)線起兩種作用，一是引導(dǎo)電磁能量從電源輸送至負(fù)載；二是信息傳遞通道。
根據(jù)電磁理論，某區(qū)域內(nèi)的電磁能量守恒定律為[1]
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信息可直觀地理解為某一物理量的時(shí)變規(guī)律。在數(shù)字電路中最常見(jiàn)的是脈沖數(shù)據(jù)串。在電路中，信息的感知是通過(guò)電流或電壓信號(hào)來(lái)傳遞的。這一信息傳遞的物理過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)呢？仍以電容器的充放電為例分析。
圖2 RC積分電路
如圖2所示的RC積分電路，設(shè)從輸入端輸入一個(gè)幅度為s，脈沖寬度為k的矩形脈沖i()。這個(gè)電路輸入與輸出電壓的關(guān)系為：i()=R()+o()，其中R()為電阻上的電壓降，o()為電容器上的端電壓，即該電路輸出電壓。當(dāng)輸入信號(hào)i()從0階躍到s時(shí)，電容器被充電，其兩端的端電壓由于電容的存在不可發(fā)生躍變，電路的輸出電壓為[2]
按照（4）式，該電路的輸出電壓波形如下圖所示。
3 結(jié)論
從以上分析可知，就電子信息而言，作為信息的載體是電子，而作為能量的載體是電磁場(chǎng)或光子。對(duì)于光信息情況有所不同，光子即是能量載體又是信息載體。人類(lèi)之所以發(fā)明了電子信息科技和光信息科技，是因?yàn)槲锢韺W(xué)發(fā)現(xiàn)，電子和光子是自然界最穩(wěn)定的基本粒子，所以很自然地成為信息傳輸?shù)妮d體。
[1] 馬科斯·玻恩.光學(xué)原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：20-24.
[2] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003：431-435.
Physical Analysis of the Transmission of Energy and Information in the Electronic Circuit
Huang Yan1，Qiu Yi-shen2
（1.Electronic Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Fujian,363000,China 2.College of Photonic and Electronic Engineering, Fujian Normal University，F(xiàn)ujian,350007,China）
The transmission of energy and information of electronic circuit is discussed by using the theory of electromagnetism. The results shows that the energy is transferred from electrical source to the electrical load by the form of electromagnetic energy-flux with the velocity of light, whereas the information is transmitted by the electrons in circuit and the speed of transmission depends on circuit parameters.
Electronic circuit; Information; Energy; Transmission
O441.4
A
1673-1417（2013）01-0036-04
2013－01－05
黃艷（1983－），女，福建閩清人，助教，碩士。
（責(zé)任編輯：季 平）
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