導(dǎo)線為什么能束縛電磁波？

因?yàn)殡姶挪ㄔ趯?dǎo)線中傳播是電磁波的一種模式

在真空中傳播也是一種模式

他們都是麥克斯韋方程在特定邊界條件下的解

電磁波傳播的頻率是方程的特征值

電磁波電場磁場的分布是方程的特征向量

這一切都逃不出麥克斯韋的智慧～

Multitasking:

導(dǎo)線是為了束縛電磁波的，而不是為了束縛電子。對應(yīng)不同頻率的電磁波，需要不同材質(zhì)的波導(dǎo)。電磁波傳播不需要依賴介質(zhì)，導(dǎo)線的作用是控制傳播方向。

Loki:

先占個(gè)坑，等過幾天考完電動(dòng)力學(xué)回來細(xì)說……

先簡要地回答題主：

1.導(dǎo)線為什么能束縛電磁波？

首先，并不是任何導(dǎo)線都可以束縛電磁波。電磁波頻率上來后一般導(dǎo)線根本hold不住。從波導(dǎo)（waveguide）方程的推導(dǎo)中可以發(fā)現(xiàn)耗散和電磁波頻率的關(guān)系（見下圖）。簡要來理解，是因?yàn)檫吔鐥l件的存在，使得電磁波在管壁間做來回反射（因此被限制?。⑦M(jìn)而傳播。

2.電磁波傳播不需要介質(zhì)，為什么還要導(dǎo)線？

誠然，電磁波的傳播不同于機(jī)械波，確實(shí)無需介質(zhì)（光以太假說不成立）。但是介質(zhì)的存在卻可以影響電磁波的傳輸?。≌且?yàn)檫@個(gè)特性，通過合理地選用材料（金屬、絕緣體均可）來制成導(dǎo)線，就可以在控制耗散的情況下進(jìn)行高頻電磁波信號的傳輸。也就是說，傳輸線的存在可以幫助進(jìn)行高頻信號傳播。

其次，當(dāng)考慮到信號在傳輸線的傳輸時(shí)，尤其是在光纖內(nèi)的傳播，我們特別需要考量的是介質(zhì)的折射率。如果題主學(xué)過量子力學(xué)的話，應(yīng)該知道折射率與態(tài)密度（DOS）相關(guān)。因此傳輸線不僅需要，而且必要。畢竟比起真空或是空氣那些戰(zhàn)五渣，光纖（主要成分是SiO2）蘊(yùn)含的態(tài)密度大了去了。

說個(gè)題外話，這也是太陽能電池普遍采用Silicon來吸收光子的原理。

暫時(shí)想到這些，等有空再補(bǔ)上公式推導(dǎo)。

靈劍:

電磁波傳播不需要介質(zhì) ≠ 電磁波不能在介質(zhì)里傳播

電磁波傳播不需要介質(zhì) ≠ 介質(zhì)不影響電磁波傳播

不過嚴(yán)格來說，對于分布參數(shù)電路，傳播電磁波的介質(zhì)既包括導(dǎo)線，也包括導(dǎo)線之間的空間，比如電感里插入鐵芯就可以影響電路參數(shù)，說明鐵芯也是電磁波傳播的介質(zhì)的一部分。

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看了一下其他的答案，我覺得還是有沒有回答到的地方，就是導(dǎo)線的作用究竟是什么？

答：導(dǎo)線可以束縛電流，也就在一定程度上束縛了電動(dòng)勢產(chǎn)生的電場，但無法束縛磁場，也無法束縛磁場產(chǎn)生的感生電場。

導(dǎo)線束縛電動(dòng)勢產(chǎn)生的電場的原理在于它可以導(dǎo)電，也就是說靠束縛電流產(chǎn)生的效果。導(dǎo)體在電動(dòng)勢存在時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流，電流只能沿著導(dǎo)體流動(dòng)，電流流過有電阻的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電勢差，這樣電勢就沿著導(dǎo)體被固定了，穩(wěn)恒場中電場是電勢的梯度，也就跟著電勢被束縛了起來。

但是磁場是不受導(dǎo)體控制的，電流產(chǎn)生的磁場會(huì)沿著垂直的方向一直擴(kuò)散出去。如果是交變電流產(chǎn)生的變化的磁場，這個(gè)磁場會(huì)繼續(xù)激發(fā)出電磁波，電磁波就會(huì)傳播到導(dǎo)體外面去。這種泄露會(huì)改變導(dǎo)體的阻抗特性，讓傳輸效率降低。

為了防止這種泄露，通常的做法是用一個(gè)相反的場相互抵消，這樣電磁波就跑不到外面去了，比如說雙絞線，兩根線上的電流相反，產(chǎn)生磁場相互抵消，電磁波就輻射不出去了，但這并不是導(dǎo)體束縛了電磁波，電磁波仍然是會(huì)在兩根線的間隙中傳播的。

這個(gè)要分成兩種情況來討論: 直流電和交流電

對于直流電來說，在導(dǎo)線兩端建立電壓，導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生電場，電子移動(dòng)引起電流，這是沒有問題的。

對于電流I來說，其定義也是

在這種情況下，沒有電磁波，在導(dǎo)體中建立的電場起到主要的傳輸作用。

否則，以自由電子緩慢的移動(dòng)速度，假設(shè)導(dǎo)線有幾百公里長，那么在一端激勵(lì)信號，在另一端接收信號就需要很長時(shí)間，顯然這是不可能的。

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對于交流電來說，在導(dǎo)線內(nèi)部的電場是變化的電場，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，這就產(chǎn)生了電磁波。

導(dǎo)線其實(shí)并不能束縛電磁波，之所以在低頻情況下感覺導(dǎo)線能夠束縛住電磁波，這是因?yàn)榈皖l情況下電磁波的頻率太低, 電磁波的波長太長, 能量無法有效的輻射出去而已(當(dāng)然并不是不能輻射，只不過是因?yàn)楸壤。谀芰坎淮蟮那闆r下可以忽略).

以交流電50Hz為例，其波長是

大概是6000km的樣子.

顯然對于大部分家用電線而言, 其長度和交流電的波長根本不在一個(gè)數(shù)量級上, 所以基本不會(huì)有能量輻射出去.

即使對于調(diào)頻廣播(100MHz左右), 其波長也在3m左右, 根據(jù)天線理論也需要大概至少30cm長的天線才能有效的輻射出電磁波, 所以你可以看到廣播電視臺塔頂一般都會(huì)有巨大的天線用于發(fā)fu射信號(雖然主要是那個(gè)鍋的大小, 但是天線本身其實(shí)也并不小)

當(dāng)頻率達(dá)到GHz的級別的時(shí)候(波長只有幾十厘米), 電磁波的輻射其實(shí)就非常容易了，射頻電路難做也是因?yàn)殡娐返耐l帶很寬，外部的高頻信號很容易耦合到電路中來，非常容易受到干擾。

在射頻電路設(shè)計(jì)中，為了有效地傳輸電磁波就需要金屬波導(dǎo)/同軸線/微帶線這種波導(dǎo)來導(dǎo)行電磁波，通過特殊設(shè)計(jì)的電場結(jié)構(gòu)盡量避免電磁波的輻射，以及盡可能使非主模截止，以最大程度地引導(dǎo)電磁波主模傳播，另一個(gè)方面的原因是在高頻下導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)也非常嚴(yán)重，電磁波很難沿著導(dǎo)線方向進(jìn)行傳導(dǎo)(全部變成熱能損耗掉了)。

以喜聞樂見的同軸線為例，這是同軸線的電場和磁場分布(來自百度百科

可以很清楚的看到，電場和磁場主要分布在兩層導(dǎo)體之間，而不是導(dǎo)體內(nèi)部。事實(shí)上，在頻率比較高的情況下，導(dǎo)體內(nèi)部幾乎沒有電場。同軸線這種特殊設(shè)計(jì)的電場結(jié)構(gòu)也可以保證只要沒有達(dá)到其截止頻率，在其內(nèi)部傳輸?shù)碾姶挪◣缀醪粫?huì)輻射出去。所以說，在這里電磁波主要是通過兩層導(dǎo)體之間的介質(zhì)傳播的(抽成真空也不是不可以)嘛。

從某種角度來說，導(dǎo)線/波導(dǎo)的意義就是提供了邊界條件。邊界條件雖然是一個(gè)數(shù)學(xué)上的概念，但是直觀的來看，舉個(gè)例子的話，為什么金屬球可以起到電磁屏蔽的作用呢？其實(shí)就可以解釋成金屬球給空間中的電場分布提供了一個(gè)邊界條件，從而改變了空間中的電場分布。

同軸線的例子也可以看成是中間那根導(dǎo)線輻射出的電磁波，被外層的屏蔽層隔絕掉了(雖然其實(shí)并不是這么回事) ，屏蔽層提供的邊界條件改變了單根導(dǎo)線的電場分布。(就好比是你在水流中插入了一根棒子, 自然水流會(huì)發(fā)生變化)

電磁波這個(gè)東西吧還有個(gè)特點(diǎn)，就是頻率越高越容易衰減，以基站為例。2G(GSM)一般是800-900MHz，如果建一個(gè)高塔，大概可以覆蓋半徑2-3km的面積，而4G(LTE)一般是2.xGHz，如果在操場中央建一個(gè)高塔的話，就不見得能夠覆蓋到整個(gè)操場了。

PS: 如果感興趣的話，可以看看傳輸線理論，超有趣的，顛覆你過去對于導(dǎo)線的傳統(tǒng)認(rèn)知

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最后直接回答一下這兩個(gè)問題，假定題目中說的導(dǎo)線指的是金屬導(dǎo)線:

1. 導(dǎo)線為什么能夠束縛住電磁波？

導(dǎo)線不能束縛住電磁波。

之所以會(huì)有這樣的錯(cuò)覺是因?yàn)椋?/p>

1.0. 在直流時(shí)沒有電磁波存在；

1.1. 在低頻時(shí)波長相對于線路長度太長很難輻射，主要的電場與磁場分布也在導(dǎo)體內(nèi)部，一般不會(huì)當(dāng)作電磁波去考慮(超長輸電線除外)；

1.2. 在高頻時(shí)早就輻射得不要不要的了→_→

2. 電磁波具有能量，電磁波傳播不需要介質(zhì)，那導(dǎo)線的作用是什么？

2.0. 直流情況下，需要導(dǎo)體提供自由電子來建立電流??；

2.1. 低頻情況下，一般等效成集總參數(shù)電路，沒人把它當(dāng)成電磁波來看，導(dǎo)線的意義是能夠通過電流…

2.2. 高頻情況下，大家好，我是邊界條件。

這個(gè)問題個(gè)人感覺我們需要從電場和磁場的源說起

電場有兩種源：①電荷②變化的磁場

磁場有兩種源：①電流②變化的電場

1、在導(dǎo)體中傳播時(shí)，導(dǎo)體具備了電荷和電流，那么同時(shí)具備了電場和磁場的兩種源，她們就以導(dǎo)體為導(dǎo)向進(jìn)行傳播了

2、在空氣中傳播時(shí)，電磁場僅能相依為命，互相作為對方的源進(jìn)行傳播

第一種方式有利傳播，優(yōu)先選擇。隨后有時(shí)間時(shí)再定量分析一下。

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做一下詳細(xì)解釋：

1、電場的兩種源：

①電荷：這個(gè)是學(xué)習(xí)電學(xué)中的基本概念，電場從正電荷出發(fā)，到負(fù)電荷終止。對應(yīng)于Maxwell定律的高斯定理。典型應(yīng)用是老式顯像管中的電子加速器。

②變化的磁場：這是法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場對應(yīng)于Maxwell定律的法拉第電磁感應(yīng)公式。。典型應(yīng)用就是發(fā)電機(jī)。

2、磁場的兩種源：

①電流：這個(gè)就是奧斯特1820年4月發(fā)現(xiàn)的電流對磁針的作用，即電流的磁效應(yīng)。對應(yīng)于Maxwell定律的安培環(huán)路定律。典型應(yīng)用是電磁鐵。

②變化的電場：這個(gè)是Maxwell在整理Maxwell方程過程中做的最大貢獻(xiàn)，引入了位移電流的概念，這樣就可以套用安培環(huán)路定律。典型應(yīng)用。。。（暫未想到，歡迎補(bǔ)充。）

一、通過導(dǎo)體傳播時(shí)（在此只考慮橫電磁波）：

電場的源為電荷，電荷與電場關(guān)系（此處電場不專指電場強(qiáng)度，有電壓就有電場）：

電壓V=電荷Q/（電容C）

磁場的源為電流，磁場與電流關(guān)系（同樣此處磁場不專指磁場強(qiáng)度）：

磁通量φ=電感L×電流i

電場能量= (1/2)CV^2 (V的2次方，以下同樣)

磁場能量 = (1/2)Li^2

在導(dǎo)體中傳播時(shí)，電場能量和磁場能量相互轉(zhuǎn)化，因此有：

電場能量 = 磁場能量

即：

(1/2)CV^2 = (1/2)Li^2

根據(jù)以上公式，我們得到了一個(gè)很重要的結(jié)論：

V/i =(L/C)^0.5

V/i很熟悉對不對，這個(gè)在歐姆定律中是電阻，在此單位依然是歐姆，但不再是電阻了，因?yàn)樵诶硐雽?dǎo)線中傳輸是不消耗能量的。在此是理想傳輸線的特征阻抗。

二、在真空中傳播時(shí)

電場能量= (1/2)×介電常數(shù)×電場強(qiáng)度的平方 = (1/2)*ε0*E^2

磁場能量 = (1/2)×磁導(dǎo)率×磁場強(qiáng)度的平方 = (1/2)*μ0*H^2

在真空中傳播時(shí)，電場和磁場相互轉(zhuǎn)化，能量也是相等的，即：

電場能量 = 磁場能量

(1/2)*μ0*H^2 = (1/2)*ε0*E^2

再整理一下得到：

E/H = (μ0/ε0)^0.5

我們又得到一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，這個(gè)就是真空中的電磁特征阻抗，大概是377歐姆。

三、其他說明的問題

通過導(dǎo)體傳播和在真空中傳播，是電磁波的兩種模式。根據(jù)我們需要進(jìn)行選擇，也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

通過導(dǎo)體傳播轉(zhuǎn)化為到真空（或空氣）中傳播，就是發(fā)射天線

從真空中（或空氣）轉(zhuǎn)化到通過導(dǎo)體中傳播，就是接受天線

只是我們在平時(shí)使用過程中，大多數(shù)需要限制電磁場能量在導(dǎo)體之間（同軸線纜、微帶線、帶狀線等），如果設(shè)計(jì)不好，讓電磁場能量泄露出去（在真空中傳播），就出現(xiàn)電磁兼容問題了。

我想真正問題關(guān)注的是：通過導(dǎo)體傳播時(shí)，如果我們專門設(shè)計(jì)的話，是可以保證絕大多數(shù)電磁場能量限制在兩個(gè)導(dǎo)體之間的（如微帶線）。為什么呢？

在此借用Maxwell方程的1個(gè)頻域表達(dá)式：

?×H=J（電流源）+jw*ε0*E（變化電場源） =σE+jw*ε0*E

H：磁場強(qiáng)度

?×H：為磁場強(qiáng)度的旋度

J：電流密度

j：虛數(shù)，j的平方等于-1

w ：角頻率= 2πf（f為頻率）

ε0：真空中介電常數(shù)，ε0=8. 85 ×10^(-12)F/ m

E：電場強(qiáng)度

σ：電導(dǎo)率

其中：J =σE為歐姆定律的微觀形式

在電場強(qiáng)度E一定情況下：

真空中傳播時(shí)，從電場強(qiáng)度到磁場強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化遵循（變化電場作為磁場源）：

?×H = jw*ε0*E

通過導(dǎo)體傳播時(shí)，從電場強(qiáng)度到磁場強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化遵循（電流作為磁場源）：

?×H =σE

我們比較一下σ和w*ε0的大小

對于銅（20度）：σ = 5.9×10^7 S/m

1KH電磁波：w*ε0 = 5.56×10^(-8) S/m

1MHz電磁波：w*ε0 = 5.56 ×10^(-5) S/m

1GHz電磁波：w*ε0 = 5.56 ×10^(-2) S/m

光的頻率為10^15，此時(shí)w*ε0 = 5.56 ×10^4 S/m，此時(shí)導(dǎo)體已經(jīng)Hold不住電磁波了。

低頻時(shí)， w*ε0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于σ (差了N個(gè)數(shù)量級)，因此在電場一定得情況下，電流作為磁場源的轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變化電場作為磁場源的轉(zhuǎn)化效率，故導(dǎo)體可以束縛電磁波。（低頻時(shí)，電流作為磁場的源實(shí)在是太強(qiáng)了，變化的電場作為磁場的源實(shí)在太挫了，不是一個(gè)數(shù)量級別的選手）

其實(shí)，再直觀一點(diǎn)，可以將兩種傳播方式，類比為兩個(gè)電阻的并聯(lián)，在電壓一定的情況下，優(yōu)先選擇電阻小的走電流。

知乎用戶

物理，數(shù)學(xué) | 沒有人注意到我名字這么完美的對稱性嗎？

你做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候用過引流棒嗎？

而且傳電磁波的那玩意叫波導(dǎo)，不是導(dǎo)線，導(dǎo)線是傳電流的。他們的原理完全不同。其他答案也很多把同軸導(dǎo)線和波導(dǎo)混為一談的。

天涯明月夜

選錯(cuò)專業(yè)的工科狗:

同志們好好回答不行么？所謂導(dǎo)線就是一個(gè)帶有自由電子的邊界，電磁場遇到這種邊界時(shí)會(huì)與導(dǎo)線中的電子相互作用形成散射場，跟原來的電磁場疊加以后會(huì)形成特定的電磁場分布，達(dá)到傳輸電磁能量得目的。波導(dǎo)也一樣，天線也沒啥區(qū)別。

我根據(jù)評論改改，上面說的波導(dǎo)，天線也一樣，意思是這些結(jié)構(gòu)都是邊界條件，除了求解出來場分布不一樣，本質(zhì)上沒什么區(qū)別。

Patrick Zhang:

題主的問題有2個(gè)：

1）導(dǎo)線為什么能夠束縛住電磁波？

2）電磁波具有能量，電磁波傳播不需要介質(zhì)，那導(dǎo)線的作用是什么？

這兩個(gè)問題很有見地，是導(dǎo)線為何能導(dǎo)電的根本原因。

再來看三個(gè)副問題：

1）導(dǎo)線傳遞電能，是電場還是電子？

2）導(dǎo)線中電子的移動(dòng)速度僅僅才1厘米/秒左右，電能是如何傳遞給負(fù)載的？

3）為何不建議用水來比喻電氣現(xiàn)象？

這些問題可是中學(xué)生們的最愛，我們姑且來探討一番。

坡印廷，人們對他的理論關(guān)注不多。原因是，他的理論是建立在麥克斯韋電磁理論之上的，有點(diǎn)高大上的感覺。不過，坡印廷理論的應(yīng)用面可是極廣，只不過我們不知道就是了。

我們知道，電磁波是客觀存在的一種物質(zhì)形式，它具有一定的能量。為了闡述能量傳遞情況，定義了能流密度S的概念：能流密度S的大小等于單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于能量傳播方向的單位面積上的能量。S的方向指向波的傳播方向。

能流密度S矢量就是坡印廷矢量。

在平面波中：

注意這里的乘號指的是矢量的叉乘，也即：

。

我們看圖1：

圖1中的導(dǎo)線半徑是r，長度是L。導(dǎo)線中流過電流I，導(dǎo)線的電導(dǎo)率是γ。

在導(dǎo)線內(nèi)部，電場強(qiáng)度為：

。

電場強(qiáng)度表達(dá)式中，第一個(gè)分式的分子是電流密度J，第二個(gè)分式的分子是電流I，因此第二個(gè)分式分母中出現(xiàn)了導(dǎo)線截面積。

在導(dǎo)線內(nèi)部，磁場強(qiáng)度為：

現(xiàn)在，我們以導(dǎo)線的表面為閉合面來考慮，則導(dǎo)線所吸收的功率為：

這里的R0就是這段導(dǎo)線的電阻。我們看到，這里的結(jié)論與我們在中學(xué)所熟知的結(jié)論是一致的。

由此我們能看出一個(gè)重要事實(shí)：電源所提供的能量一部分作為導(dǎo)線的損耗，而另一部分則傳遞給導(dǎo)線末端的負(fù)載。

那么流入導(dǎo)線內(nèi)外的能量分布又如何？我們用坡印廷矢量來計(jì)算看看結(jié)果。

首先看看坡印廷矢量的形式：

我們把導(dǎo)線分成內(nèi)外兩部分，兩部分的半徑分別是R1和R2，然后來做如下積分：

這說明什么？

第一：計(jì)算中完全沒有涉及到電子?？梢妼?dǎo)線傳遞能量的主體并不是電子，而是電場。

第二：電磁能量是通過導(dǎo)體的表面和周圍介質(zhì)傳播的，導(dǎo)線起到引導(dǎo)和導(dǎo)向作用。

第三：導(dǎo)線任意截面所通過的能量均相等。

這三條事實(shí)上已經(jīng)回答了題主的問題。

再看副問題：

1）導(dǎo)線傳遞電能，是電場還是電子？

回答：導(dǎo)線傳遞電能依靠的是電場，不是電子。

2）導(dǎo)線中電子的移動(dòng)速度僅僅才1厘米/秒左右，電能是如何傳遞給負(fù)載的？

回答：同上，再結(jié)合前面的推導(dǎo)可知，電能是依靠電場傳遞給負(fù)載的。

3）為何不建議用水來比喻電氣現(xiàn)象？

回答：

中學(xué)生特別喜歡用水來比喻電氣現(xiàn)象。通過上面的解釋，我們發(fā)現(xiàn)電能的傳遞與水完全不同，兩者沒有毛關(guān)系?？梢?，用水來比喻電氣現(xiàn)象是十分不妥當(dāng)?shù)摹?/p>

記得上《普通物理》（我們那時(shí)不叫大學(xué)物理，叫普通物理）時(shí)，老師講解坡印廷矢量時(shí)也談到了電能傳輸，課后大家有過一次討論，討論題是這樣的：

對于某配電系統(tǒng)，從變壓器開始一直到眾多的最終用戶，中間有許多電纜和電線，電能的傳輸當(dāng)然是通過這些電纜和電線輸送的。如果此時(shí)某處的相線對地線發(fā)生短路，于是就出現(xiàn)了漏電。這個(gè)漏電如何用坡印廷電能傳輸理論解釋？

當(dāng)時(shí)討論的要點(diǎn)在于：

第一：漏電處并不一定是導(dǎo)線，可能是潮濕的地下土壤，然后是地下的鋼筋網(wǎng)，以及其它導(dǎo)電材料。這些材料和坡印廷矢量有何種關(guān)系？它們是如何束縛住電磁波的？

第二：從坡印廷矢量中可以隱隱約約地看到電阻的作用，并且暗示我們可以從麥克斯韋理論得到歐姆定律（歐姆定理）。那么從坡印廷電能傳輸理論來看漏電電流所經(jīng)過之處的電阻是何種景象？

這兩個(gè)問題反饋給知友們，供大家思考。必要時(shí)，我會(huì)作答。

看到評論區(qū)對于水來類比電現(xiàn)象，提出了許多看法。我談?wù)勎业膫€(gè)人理解：

記得在中學(xué)時(shí)代，老師的確也用水來類比電現(xiàn)象。但進(jìn)入大學(xué)課堂后，這種類比幾乎絕跡。進(jìn)入職場后，用水來比喻電現(xiàn)象，再也聽不到了。因?yàn)殡姮F(xiàn)象有自己的規(guī)律，這種規(guī)律根本就無法用水來描述。

現(xiàn)在，我有一部分的工作任務(wù)是教書。在講解麥克斯韋電磁力時(shí)，我會(huì)問學(xué)生們：你們還會(huì)用水來類比電磁現(xiàn)象嗎？大家異口同聲說不會(huì)，因?yàn)閮烧呦嗖钐h(yuǎn)。倒是對磁通的研究會(huì)拿電流來類比，而且也有基爾霍夫第一和第二定律，以及磁路的歐姆定律等等。

我看過德國的中學(xué)物理學(xué)課本，這些課本中絕對不會(huì)出現(xiàn)用水來比喻電現(xiàn)象的文字。但其它國家就難說了。某次在ABB和一位來自印度的大胡子哥們探討自控原理，他還是用水來形容電現(xiàn)象，我就故意引導(dǎo)他往深處探討，幾句話后他的水理論就無法繼續(xù)下去了。于是他也承認(rèn)，用水來比喻電現(xiàn)象不是很合適。

我的做法是：愿意用水來比喻電現(xiàn)象，就如同用零線的概念來代替三相中性線一樣，盡管不合適，但已經(jīng)無法糾正了。所以，愿意用就用吧，只要我自己不用就行了。

有點(diǎn)阿Q是不是？笑！

康讓:

電磁波的傳播的確不需要介質(zhì)，但不表示電磁波本身不需要介質(zhì)來產(chǎn)生啊。

雙導(dǎo)線中每根導(dǎo)線上的時(shí)變電流都會(huì)單獨(dú)產(chǎn)生時(shí)變電磁場，然后和另一根導(dǎo)線產(chǎn)生的時(shí)變電磁場進(jìn)行疊加:雙導(dǎo)線之間場強(qiáng)正向疊加，雙導(dǎo)線之外場強(qiáng)反向抵消。所以電磁波主要沿著雙導(dǎo)線之間在傳播，看起來像是被束縛了。

其實(shí)所謂的束縛這個(gè)詞，只是對數(shù)學(xué)語言的通俗化理解。換言之，我們用“束縛”這一個(gè)詞就輕易的理解了一大堆復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。

電磁波這個(gè)詞，同樣也是對數(shù)學(xué)語言的通俗理解。世上哪有什么電磁波，誰看見過?只是對純理論的通俗表達(dá)，只是對生硬的數(shù)學(xué)關(guān)系的腦補(bǔ)理解。只是知識傳遞到后來電磁波到好像成為一個(gè)獨(dú)立的、客觀的像水波一樣的事實(shí)存在。

我們建立科學(xué)理論的目的，正是為了更好的擬合、理解這個(gè)世界。而任何理論，只有通過自然語言才能得到真正的最終的理解。所以我們才需要傳導(dǎo)、束縛、電磁波這樣的自然語言來理解理論，進(jìn)而間接的理解世界。

有句話說的好:

人有時(shí)候走的太遠(yuǎn)，會(huì)忘了為何而出發(fā)。。。

LoserWu：

簡單來說。。大部分的電路中的電磁場不具備在空間中傳播的條件。

(原諒我直接從百度百科找圖)可以看出來，電磁場要傳播，電場磁場都必須無窮階對時(shí)間可導(dǎo)。(特指在空間中傳播，此時(shí)沒有電流密度j。可是，大部分電路是直流電路，這個(gè)時(shí)候電流大小方向不變。然后請讓我祭出物理系版本的歐姆定律j=γE(不要在意細(xì)節(jié)，總之直接認(rèn)為電流與電場強(qiáng)度成正比就好，其實(shí)高中版本歐姆定律也可以推出來？)然后就發(fā)現(xiàn)電場恒定，自然沒辦法傳播。。那么這個(gè)時(shí)候電路中的電場到底是怎么樣的呢？

參考這張圖，先不考慮那個(gè)電阻。我們來想想電池兩邊接上導(dǎo)線，這個(gè)電場是怎么建立起來的。首先電源的正負(fù)級分別有很多正電荷和負(fù)電荷啦，然后就會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)電場。大概是這樣的

可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候?qū)Ь€里面的電子，感受到的電場都是朝一個(gè)方向的。。

那我們看看right bend那個(gè)地方。上下的電子都離rightbend遠(yuǎn)去，顯然會(huì)在right bend處留下靜電荷。然后導(dǎo)線里面每個(gè)地方的電子都以類似的方式重新分布，最后達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。什么時(shí)候才能平衡呢？得達(dá)到電流處處相同才行，也就是(如果不考慮電阻)電場只沿導(dǎo)線，而且處處相同。不相同或者不沿導(dǎo)線的話，就會(huì)出現(xiàn)靜電荷積累，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的入電流和出電流就不同了。平衡之后，就變成了這個(gè)樣子。

這個(gè)時(shí)候就只在導(dǎo)線表面存在凈電荷了。。然后電場垂直于導(dǎo)線表面，導(dǎo)線內(nèi)部電場為零（如果認(rèn)為導(dǎo)線沒有電阻的話。）重新再來看看之前的圖：

在有電阻的地方，因?yàn)殡娏饕推渌胤较嗤ú蝗坏脑挄?huì)有節(jié)點(diǎn)存在電荷積累，不能平衡）。而電阻的電導(dǎo)率γ是個(gè)有限的值，所以這個(gè)時(shí)候電阻內(nèi)存在與導(dǎo)線平行的電場。。當(dāng)然，這時(shí)電阻表面的電場也不會(huì)垂直于表面了，而有一個(gè)切向分量。

現(xiàn)在再來回答一下問題，能量確實(shí)是通過電磁波來傳遞的。為什么？如果能量是通過電子的動(dòng)能來直接傳遞的話，電阻前后的電子速度一定會(huì)改變?？墒俏覀冎罢f了，電路中電流一定要相同，而電流反映的就是電子的速度(I=nAvQ)，所以電子速度在電阻前后沒有改變。正確的能量傳遞過程是，導(dǎo)線周圍的電磁場將能量輸運(yùn)到電阻附近，在電阻內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)沿導(dǎo)線的電場，這個(gè)電場加速電子，電子獲得動(dòng)能，傳遞給電阻。電子動(dòng)能前后不變，只是作為電磁場傳遞能量的媒介。

那這個(gè)時(shí)候?qū)Ь€的作用是啥？此時(shí)的電磁場不具備空間傳播的條件，所以電磁場想要傳播，必須讓麥克斯韋方程組里面的電流密度j不為零。導(dǎo)線中有電流，電磁場才能依托著電流傳遞。

順便，其實(shí)對于某些特別的電路，是可以產(chǎn)生空間傳播的電磁場的。比如LC振蕩電路。

導(dǎo)線為什么能夠束縛住電磁波？

導(dǎo)線束縛的是電子。因?yàn)殡娮犹右菪枰芨叩哪芰浚鴮?dǎo)線一般電壓沒有達(dá)到足夠高。如果電壓足夠高，電子就會(huì)發(fā)射出來（想想光電效應(yīng)，其實(shí)是一種輔助發(fā)射）。

電磁波具有能量，電磁波傳播不需要介質(zhì)，那導(dǎo)線的作用是什么？

導(dǎo)線的作用就是束縛電子。

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導(dǎo)線傳遞能量靠電磁場，但傳遞的并不是電磁場，就是電子，只是靠電子之間的電磁場斥力依次推動(dòng)，統(tǒng)計(jì)上來講，看到了電子在某一方向上的凈流動(dòng)。

水管傳遞能量也是靠電磁場，但傳遞的不是電磁場，而是水分子，靠水分子之間的電磁場斥力依次推動(dòng)，統(tǒng)計(jì)上來講，看到了水分子在某一方向的凈流動(dòng)。

所以我認(rèn)為張老師的回答是不正確的。

junior of HNU：

汪洋

按照費(fèi)曼的說法：電磁波嘗試了所有路徑，發(fā)現(xiàn)沿著導(dǎo)線走“作用量路徑積分”最小，就選擇這條路了。

謝煙客 射頻工程師 專注基站功放及DPD

無論是直流導(dǎo)線還是微波的各種傳輸結(jié)構(gòu)，他們可以總稱為波導(dǎo)。顧名思義就是導(dǎo)行電磁波的。要明晰一個(gè)概念，那就是無論頻率高低，電磁能量都是在波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)中傳播，這個(gè)介質(zhì)可以是空氣，其他材料抑或是真空。因此，直流電路中電磁能量也是在導(dǎo)線和參考平面間的介質(zhì)中傳播。

shengeleven

補(bǔ)充一下我的見解。

差不多任何電磁學(xué)問題都可以歸結(jié)為在給定別解條件下求解Maxwell方程。

所以導(dǎo)線的作用是：為Maxwell方程提供邊界條件，即提供這組方程的應(yīng)用場景。

上圖（取自維基百科）：

圖中紅色為電場，綠色為磁場，藍(lán)色為Poynting矢量，即能流方向。

電源：Poynting矢量向外，所以能量是朝外傳播，并不是沿著電流方向。

導(dǎo)線：連接電源兩頭的導(dǎo)線具有電勢差，在兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生ExH的能量傳播。所以導(dǎo)線就相當(dāng)于波導(dǎo)。

電阻：表面周圍產(chǎn)生向內(nèi)的能流，能量被電阻吸收發(fā)熱。

總結(jié)，

1. 電磁能量不是通過導(dǎo)線傳播，而是在電路周圍的空間通過電磁場傳播；導(dǎo)線提供Maxwell方程組的邊界條件，導(dǎo)線的作用相當(dāng)于波導(dǎo)。

2. 并不是動(dòng)態(tài)電磁場才適用Poynting定理，靜態(tài)場同樣適用。

感覺看圖比我說的清楚。

木夏：

咦，神奇，不是叫波導(dǎo)嗎，難道說半年沒學(xué)光學(xué)名稱都變了。波導(dǎo)為何可以束縛光線，因?yàn)槿瓷洹?/p>

為何要用波導(dǎo)，因?yàn)椴豢赡茏龅桨l(fā)射完全平行光束，如果不給它們約束豈不是一會(huì)就發(fā)散沒了。而且不給約束它也不會(huì)拐彎啊，咋傳播信號。

菜瓜

導(dǎo)體在電磁能的傳輸過程中僅扮演引導(dǎo)者的角色，沿導(dǎo)體傳播的電磁能實(shí)際是經(jīng)導(dǎo)體周圍的空間而不是導(dǎo)體內(nèi)部流向負(fù)載。導(dǎo)體向前傳輸?shù)哪芰骷性趯?dǎo)線附近一有限橫截面內(nèi)。

摘自電磁場與電磁波教材44頁（雷虹 余恬 劉立國編著）

陽洋

能束縛電磁波的導(dǎo)線我們一般叫做光纖......你沒搞清楚電場和電磁波的區(qū)別吧，如果你想說的是電場的話，電流的速度并不是導(dǎo)線中電子的速度，而是電場的傳播速度，也談不上束縛。

勝勛

導(dǎo)線為什么能夠束縛住電磁波？

錯(cuò)。導(dǎo)線無法束縛電磁波。

電磁波具有能量，電磁波傳播不需要介質(zhì)，那么導(dǎo)線的作用是什么？

其一，導(dǎo)線能提升傳播效率！有線電視效果比天線好。這就是證據(jù)。

其二，導(dǎo)線能傳導(dǎo)直流??！

大衛(wèi)德2015

張老師說的十分專業(yè)，但是個(gè)人覺得不夠直觀。

我認(rèn)為用水理解電磁場是沒有問題的。眾所周知，電磁波是電磁場在空間傳播時(shí)的表現(xiàn)，本質(zhì)上為波，這與我們在池塘投塊石頭引起的水波的傳播是相同的。在空間傳播的是波，但是水分子只是做上下的振動(dòng)。同理，導(dǎo)線中電磁場是以光速傳播的，其引起的電子并不隨電磁場以光速傳播，只是以低速移動(dòng)，從而產(chǎn)生損耗。

題主的問題是，電磁場不需要介質(zhì)傳播，但是電子的移動(dòng)是需要介質(zhì)的。如果沒有導(dǎo)線，僅僅以真空做傳播路徑，那么電子無從移動(dòng)。因此，導(dǎo)線的作用是為電子隨電磁場運(yùn)動(dòng)提供路徑。直觀上，可以從池塘水波切入理解，雖有不同但有助理解。

知乎用戶

不需要介質(zhì)是一種傳播方式

不同截面形狀的導(dǎo)線是也是傳播方式

甚至連絕緣體（例如光纖）也是一種傳播方式

就像雖然你可以走路，但是仍然可以借助不同的交通工具。而且大多時(shí)候你會(huì)傾向于使用更省力的交通工具。導(dǎo)線的情況就像你被扔在一條高速公路上，不允許走路，只能乘坐汽車（導(dǎo)線）離開，然而汽車有不同的型號（不同的導(dǎo)線模式）。

遇到忽然剎車、加速、轉(zhuǎn)彎或者路面不平整還能把你甩出車去。成為輻射。

rylc：

看到這么多專業(yè)人士給出的答案居然是這樣我也震驚了。

如果題主說的是光纖，那么是因?yàn)槿瓷湓?，很少損失能量所以能一直傳遞。

如果說的是普通電纜，那么電源之間產(chǎn)生的是電場，但只有導(dǎo)線里的電子才能在電場中(而不是因?yàn)殡姶艌?大量自由自動(dòng)，所以產(chǎn)生了電流。周圍的空氣絕緣度很高，很難有自由電子，所以沒有電流。電流本質(zhì)是電子定向移動(dòng)，不是電磁場，更不是電磁波，雖然它能產(chǎn)生電磁場。

電場產(chǎn)生磁場，磁場也會(huì)產(chǎn)生電場，所以叫電磁場。變化的電場引起變化的磁場，而變化的磁場又能產(chǎn)生變化的電場，如此反復(fù)。如果變化幅度合適(比如正弦變化)，那么就能產(chǎn)生可以持續(xù)傳播的電磁波。然而這個(gè)和剛才導(dǎo)線里的事情沒什么太大關(guān)系。

電磁場，電磁波，一個(gè)是場，一個(gè)是波，場的變化會(huì)產(chǎn)生波。

曹鍇源

因?yàn)殡姶挪ǖ浇饘倮锞蜁?huì)快速衰減，所以沒辦法穿透金屬，當(dāng)然導(dǎo)體都可以，像水和土壤什么的，另外電磁波的衰減有很多種，也不一定非要金屬

導(dǎo)線，顧名思義，就是引導(dǎo)電磁波傳播的，比如波導(dǎo)和同軸線，你去看下內(nèi)部場分布就明白了

小插頭理工男

傳輸線的作用就是起到邊界條件，使電磁波沿著傳輸線橫截面上形成一系列（駐）波模，有基模和各高次模，能量當(dāng)然都集中在基模里啦，所以宏觀看來電磁波就沿著傳輸線傳播了

LX2017

誰說導(dǎo)線能束縛電磁波的？這是胡扯好么。

電流在導(dǎo)線中傳輸會(huì)有電磁波泄漏，傳輸?shù)念l率越高泄漏越嚴(yán)重。

電磁波確實(shí)在真空中就可以傳輸，但導(dǎo)線必不可少。因?yàn)樗o電磁波提供了一個(gè)低阻通道。電磁波頻率越低這個(gè)通道就越重要。