通俗理解电路及电磁场（上）

        
 
我们可以来一个总结：
1、  理想导体，因为是等电势，所以内部是没有电场的。
2、  有电压差，就能产生电场：E = U / D，E为电场强度，U为电压差，D为距离。
3、  电流，其实就是磁场的另外一种表现形式，电流与磁场如同电子如电场的关系。
 
 
现实中因为不存在磁单极，所以磁产生的根源是基于电流，比如磁铁就是基于电子绕原子核转动而产生磁场，当这个磁场方向一致，磁场叠加就表现为磁铁。有过开关电源经验的都知道，在绕制变压器的时候，一般用安匝(NI)表征磁场的激励源。
         
我们很多自小就接触电子，因为那个时候接受事物的能力有限，所以接触的一些概念，往往是比较形象的，比如把电路理解为一个回路，电流在这个回路里流，大家很容易想象着，电场方向也是跟电流方向一致的。其实，在导体里，电场方向是否跟电流一致，书本上其实是回避了的，但这个是我们自己的潜意识形成的，而这一点却严重的制约了后来对电磁场的理解。
         
接下来分析一下常规导线里面的电场与外部电场的关系，看看是否是我们原先所认知的那样。我们以家庭常用的220VAC交流电源线为例，红黑双根分别为火线和地线，铜线截面积为0.5平方毫米，线中心与线中心之间间距4mm，单根导线每米电阻为0.1欧姆，我们做一些初略的计算分析线内外的电场情况，设电压为220V。
         
线外电场：E = 220伏 / 0.04米 = 5500伏/米。这个是平板电容的计算方式，导线与导线之间的电场，要略低于这个值，估算降低一个数量级为550伏/米。(感谢网友“haulegend”纠正)
        
线内电场：E = 0.1欧姆 * N安培 / 1米 = 0.1N伏/米
        
这个N根据实际电流大小决定，若为1安培，则导线内的电场只有0.1伏/米，远远小于线外的电场强度550伏/米，可以忽略不计。
 

 
工频交流电

日常交流电是50Hz，虽然只有50Hz，我们先承认基于电磁场理论的，尤其是几千公里的电力线传输，是需要考虑电磁场效应的，我们先推算一下它的波长。

 
波长 = 300 000 000 / 50 = 6 000 000米 = 6000千米。
         
这也就是说，我们先承认50Hz的交流电是电磁波的话，那么它的波长是6000千米，因为这个尺度太大了，远远超出了我们实际常用的尺寸，所以哪怕是电磁场，我们也感觉不到。这如同人相对于地球非常渺小，视野非常有限，发现不了地球到底是圆的，还是平的，一个道理。
         
直流电，我们可以认为是频率为0Hz的电磁波，它的波长是无穷大。
 
高频交流信号
我们使用电，是从直流到交流，从低频到高频这样的顺序过来的，就民用来说，最早收音机AM：525~1605KHz、FM：72~108MHz到GSM手机900MHz和1800MHz再到无线局域网WIFI：2400MHz，我们的需求逼迫我们用更高的频率来传递更多的信息，可以肯定未来基于高频高速的需求将是主流，而达到百兆级别以上的信号，波长已经接近器件、连线或PCB布线尺度了，电磁场效应不得不考虑。
         
为方便计算，考察300MHz信号，一秒钟信号按正弦波规律变化300百万次。
        
 波长（真空或空气中） = 300 000 000 / 300 000 000 = 1米
 

         
一个波长1米范围内，表征了一个完整的信号变化，1秒钟产生了300M个完整的信号周期。理想情况下电压、电流按正弦波规律变化，对应的电场和磁场也是按这个变化，在一个长的均匀平行传输线中，每隔一个波长位置信号电压是完全相同的，每隔半个波长位置信号电压是完全相反的。当前高速PCB布板，比如DDR2内存就工作在这个200~300MHz频率附近（数字信号可以分解为各个正弦波的叠加，这个例子对正弦波和方波都适用，信号不考虑反射条件下），以300MHz计算，考虑到PCB板介电常数是3.9~4.2，取整数为4，（真空或空气中为1）那么波长缩短为4倍，只有1 / 4 = 0.25米，也就是波长只有25厘米。DDR2地址、数据线有很多根，假如因为布线条件决定引起各根地址或者数据线之间长短不一，比如差12.5cm，数据就完全相反了，0变成了1，1变成了0。哪怕差1cm，也引起了1 / 25 * 360 = 14.4度的相位差。这也严重的影响了时钟信号的采样判断点。所以在DDR2等多地址、数据线的条件下，无法忽视因为信号电磁场传播延时引起的数据相位差问题了。