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
漳州職業(yè)技術學院學報 2013年1期
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)技術學院 電子工程系，福建 漳州 363000；2.福建師范大學 光電與信息工程學院，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空間輸送到負載，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)的電路教學中，由于主要關心的物理量是電流和電壓等可測量的規(guī)律和計算，對電磁場的作用卻很少涉及，這給人的感覺是電路理論主要是技術的而非物理的問題。這對實用的工科教學是沒有問題的，但從物理教學的角度，如果不能從電磁場的基本原理去理解的話，就有一種物理的無知感。更不幸的是，不少教師傳遞給學生的還是錯誤的觀點，例如，很多人認為電路中的能量是從電源通過導線傳輸?shù)截撦d的，這是極其嚴重的錯誤。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，從電磁場理論出發(fā)，分析電磁場和電壓的傳播途徑和規(guī)律，指出能量輸運的載體是電磁場，以玻印廷矢量從電源經空間傳輸?shù)截撦d，傳遞速度是光速；信息傳輸?shù)妮d體是電子，從電源經電路輸送至負載，傳遞速度取決于電路的RC延遲時間。電路中的導線起兩種作用，一是引導電磁能量從電源輸送至負載；二是信息傳遞通道。
根據電磁理論，某區(qū)域內的電磁能量守恒定律為[1]
根據玻印廷矢量，能流方向是從電容器的側面流入電容器的（如圖1-c）。所以電磁能量是從電源通過空間以場的形式傳遞到電容器，傳遞速度是光速，而不是如同經常被誤導的那樣通過電流在導線中傳播。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論呢？回答是否定的。
信息可直觀地理解為某一物理量的時變規(guī)律。在數(shù)字電路中最常見的是脈沖數(shù)據串。在電路中，信息的感知是通過電流或電壓信號來傳遞的。這一信息傳遞的物理過程是如何實現(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，設從輸入端輸入一個幅度為s，脈沖寬度為k的矩形脈沖i()。這個電路輸入與輸出電壓的關系為：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。當輸入信號i()從0階躍到s時，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或光子。對于光信息情況有所不同，光子即是能量載體又是信息載體。人類之所以發(fā)明了電子信息科技和光信息科技，是因為物理學發(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[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>
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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空間輸送到負載，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)的電路教學中，由于主要關心的物理量是電流和電壓等可測量的規(guī)律和計算，對電磁場的作用卻很少涉及，這給人的感覺是電路理論主要是技術的而非物理的問題。這對實用的工科教學是沒有問題的，但從物理教學的角度，如果不能從電磁場的基本原理去理解的話，就有一種物理的無知感。更不幸的是，不少教師傳遞給學生的還是錯誤的觀點，例如，很多人認為電路中的能量是從電源通過導線傳輸?shù)截撦d的，這是極其嚴重的錯誤。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，從電磁場理論出發(fā)，分析電磁場和電壓的傳播途徑和規(guī)律，指出能量輸運的載體是電磁場，以玻印廷矢量從電源經空間傳輸?shù)截撦d，傳遞速度是光速；信息傳輸?shù)妮d體是電子，從電源經電路輸送至負載，傳遞速度取決于電路的RC延遲時間。電路中的導線起兩種作用，一是引導電磁能量從電源輸送至負載；二是信息傳遞通道。
根據電磁理論，某區(qū)域內的電磁能量守恒定律為[1]
根據玻印廷矢量，能流方向是從電容器的側面流入電容器的（如圖1-c）。所以電磁能量是從電源通過空間以場的形式傳遞到電容器，傳遞速度是光速，而不是如同經常被誤導的那樣通過電流在導線中傳播。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論呢？回答是否定的。
信息可直觀地理解為某一物理量的時變規(guī)律。在數(shù)字電路中最常見的是脈沖數(shù)據串。在電路中，信息的感知是通過電流或電壓信號來傳遞的。這一信息傳遞的物理過程是如何實現(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，設從輸入端輸入一個幅度為s，脈沖寬度為k的矩形脈沖i()。這個電路輸入與輸出電壓的關系為：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。當輸入信號i()從0階躍到s時，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或光子。對于光信息情況有所不同，光子即是能量載體又是信息載體。人類之所以發(fā)明了電子信息科技和光信息科技，是因為物理學發(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[M].北京：高等教育出版社，2003：431-435.
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O441.4
A
1673-1417（2013）01-0036-04
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黃艷（1983－），女，福建閩清人，助教，碩士。
（責任編輯：季 平）
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