电信号在传输线中是怎样传播？

电信号在传输线中是怎样传播？

详细的物理过程是这样的：导线上的振荡电荷，把电场和磁场约束在导线之间，从而形成存在于两根导线之间的电磁波。电信号通过对导线上电荷的持续作用扰动电场和磁场，这种对场的扰动、以电磁波的形式在传输线的两根导线之间向前传播。电磁波以光速在两根导线之间传播，又把这种扰动带给远处的场、那儿的场和导线上的电荷相互作用，又带来了远处导线上电荷的相应运动。

一句话来说：导线之间的电磁场以光速向前传播，导线上的电荷并不会以光速沿导线移动，它们只会在一定范围内振荡；但是，导线上的电荷对电信号的响应的传递会以光速进行；因为被扰动的场以光速、场和导线上电荷的作用，也对应的以光速传递。

导线上的电荷是如何把场限制在两根导线之间的？以下图传输线上两个电荷对为例来详细说明。

如上左图的传输线上下导线上，分别有一对异性的电荷对保持静止状态；直观起见，这儿假定形成电流的有正电荷和负电荷，上面左图是传输线某个瞬间的快照，此时上下电荷对都处在静止状态。这儿之所以说是快照，是说这是信号传输的某个特定状态，比如驻波节点的某一瞬时，正常情况下没有信号的导线上都是电中和。

上面左图在这个位置这个时间，上下电荷对静止（没有磁场）。具体电场方向看上面的示意图，蓝线是上导体中电荷对的电场线、绿线是下导体电荷对之间的电场线。静电场的叠加结果使得导体外和水平方向的电场因反向被弱化，两导体间异性电荷间的场因同向被加强（看图示的电场方向），最终电场绝大部分分布在不同导体的异性电荷间。就是说上下导线的电场分布，总是在导线之间互相加强、而导线之外互相抵消，作用的综合结果是把电场约束在了两根导线之间。

上面右图，当导线上的电荷对因为相互吸引的作用力加速靠拢时，上面导线中有向右的电流、而下面导线中有向左的电流。这两根导线上的电流形成的感应磁场方向示意图如上，蓝色依然是上单体电流感应的磁场、绿色是下导体电流感应的磁场；从图示的方向可见，感应的磁场依然在两导体间同向加强，在导体外异向抵消，使得感应磁场的绝大部分依然分布在导体间。同时，红色线是为了阻止电荷运动的感生电场方向，也是两个导线间加强、而导体外是抵消的趋势。

上下导体相互约束的结果，使得两导体上电荷复合感应的磁场都集中在两导体之间很小的区域内，与之相应的磁场能也集中在很小的区域内而不能扩散“稀释”；这样，不管静电势能还是感应场势能，都集中在导体间很小的区域，导体外侧基本没有场的存在，这正是传输线约束电磁场的原因。

上面是基于某个电荷对的分析，虽然有些理想化和不严谨，但是道理是没错的；和实际传输线上驻波的某个特殊时刻对应。把下面传输线几个特殊时刻的详细分析看明白了，整体就更容易理解了。

提前说一下，之所以要用驻波，是因为它的磁场和电场的转换相对清晰；普通电路中是混合了驻波和行波，但是原理一样。

下面是传输线中几个特殊的时刻的详细分析：

电场储能最大的瞬间

此时的瞬间照片如下图：在这个特殊时刻，传输线的每个位置，上下导体的电流都为零；因为正向和反向移动的电荷量刚好相等；所以磁场的储能为零、对应的电场储能最大。

受力和运动：波腹点B两侧全为异性电荷，水平方向的电场力最大；在电场力的作用下，异性电荷会越过节点B注入对方区域；注入过程导致电流产生，由此产生的磁场力（或者说磁场感生的反向电场，简单起见称磁场力）阻止这种注入的过程；刚开始电荷注入对方区域的速度慢，加速度最大（正弦求导就看出来了），所以磁场力也最大；随着注入过程的延续，注入的速度越来越快，加速度却越来越慢，所以磁场力也在减弱；同时，由于注入的异性电荷的中和作用，电场力也在减弱。

能量：刚开始时A对应位置的导体间电场很强，能量主要以电场的形式存储在A对应位置的导体间；当电荷在水平方向电场力作用下注入异性电荷区域时，一方面，异性电荷的中和作用使得A点对应位置的导体间的电场减弱，此处以电场形式储存的能量也随之减少；另一方面，电场力在推动电荷运动的过程中，要不断克服磁场力对该过程的阻止作用，电场力克服磁场力做功的过程使得电场能逐渐减小、磁场能逐渐增加，直到节点两边完全电中和，则电场能完全转化为磁场能存储在B对应位置的导体间。

大部分能量（或者说作用力）存在与导体之间，那么导体外侧有没有能量？也有，只是来自两个导体的力在导体外侧互相抵消，使得很近的地方才有净力的作用，远离导体的地方这个力将变得微不足道了。

磁场储能最大的瞬间

此时的瞬间照片如下图：此时上下导线的每个位置，都出于电中和状态，电场储能为零、磁场储能最大。

受力和运动：此时导体间的电场力为零，电荷的运动速度最大（电流最大），电荷运动在周围空间产生的磁场、不允许运动马上停止（磁场突变、意味着巨大的感应电场突然产生）；所以运动电荷受到磁场力的作用继续运动，结果使得导线上的电平衡再次被破坏，节点两边又开始积累异性电荷；异性电荷的吸引力阻止这种继续运动的过程，随着异性电荷量的增加，电场的阻力越来越大，磁场也被迫产生更大的磁场力来继续推动电荷运动；直到某一刻、磁场力再也不能维持节点两边强大的电场引力时，节点两边异性电荷量达到最大，继续运动过程结束，电荷速度为零。

能量：此时，导体上和导体间都达到电平衡状态，系统的电场能为零；电场力等于磁场力等于0；线上的电流最大，磁场能最强；在B点对应的导体间的空间里磁场能密度最大。从电荷在磁场作用下继续运动开始，磁场力不断克服电场力做功，同时伴随着磁场能逐渐转化为电场能的过程。

磁场力总是试图让异性电荷分开，而电场力总是试图让异性电荷复合。该文档中所说的磁场力都是指由磁场产生的感应电场的作用力。

上面基本说明白了传输线是如何约束电场和磁场，从而把电信号转化为两根导线之间的电磁场。如果需要了解更多详细的过程，可以看下面的文档：

WaveView：大道至简｜辐射的物理过程分析