电路中能量和信息传输的物理分析

黄 艳，邱怡申



电路中能量和信息传输的物理分析

黄 艳1，邱怡申2

（1.漳州职业技术学院 电子工程系，福建 漳州 363000；2.福建师范大学 光电与信息工程学院，福建 福州 350007）

基于电磁理论分析电路中的能量和信息传输。能量以电磁能流形式从电源经空间输送到负载，传播速度为光速。而信息由电子荷载在电路中传输，其传输速度取决于电路参数。

电子电路；信息；能量；传输

1 引言

在传统的电路教学中，由于主要关心的物理量是电流和电压等可测量的规律和计算，对电磁场的作用却很少涉及，这给人的感觉是电路理论主要是技术的而非物理的问题。这对实用的工科教学是没有问题的，但从物理教学的角度，如果不能从电磁场的基本原理去理解的话，就有一种物理的无知感。更不幸的是，不少教师传递给学生的还是错误的观点，例如，很多人认为电路中的能量是从电源通过导线传输到负载的，这是极其严重的错误。至于信息的传输，很少有通俗的论述。

2 电路中能量和信息传输的物理解释

本文以电路中电容器的充放电为例，从电磁场理论出发，分析电磁场和电压的传播途径和规律，指出能量输运的载体是电磁场，以玻印廷矢量从电源经空间传输到负载，传递速度是光速；信息传输的载体是电子，从电源经电路输送至负载，传递速度取决于电路的RC延迟时间。电路中的导线起两种作用，一是引导电磁能量从电源输送至负载；二是信息传递通道。

根据电磁理论，某区域内的电磁能量守恒定律为[1]

根据玻印廷矢量，能流方向是从电容器的侧面流入电容器的（如图1-c）。所以电磁能量是从电源通过空间以场的形式传递到电容器，传递速度是光速，而不是如同经常被误导的那样通过电流在导线中传播。那么我们是否可以得出信息传递方式与能量传输是相同的结论呢？回答是否定的。

信息可直观地理解为某一物理量的时变规律。在数字电路中最常见的是脉冲数据串。在电路中，信息的感知是通过电流或电压信号来传递的。这一信息传递的物理过程是如何实现呢？仍以电容器的充放电为例分析。

图2 RC积分电路

如图2所示的RC积分电路，设从输入端输入一个幅度为s，脉冲宽度为k的矩形脉冲i()。这个电路输入与输出电压的关系为：i()=R()+o()，其中R()为电阻上的电压降，o()为电容器上的端电压，即该电路输出电压。当输入信号i()从0阶跃到s时，电容器被充电，其两端的端电压由于电容的存在不可发生跃变，电路的输出电压为[2]

按照（4）式，该电路的输出电压波形如下图所示。

3 结论

从以上分析可知，就电子信息而言，作为信息的载体是电子，而作为能量的载体是电磁场或光子。对于光信息情况有所不同，光子即是能量载体又是信息载体。人类之所以发明了电子信息科技和光信息科技，是因为物理学发现，电子和光子是自然界最稳定的基本粒子，所以很自然地成为信息传输的载体。

[1] 马科斯·玻恩.光学原理[M].北京：电子工业出版社，2005：20-24.

[2] 赵凯华，陈熙谋.电磁学[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，Fujian,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

黄艳（1983－），女，福建闽清人，助教，硕士。

（责任编辑：季 平）