淺談電磁理論 - PCB被動組件隱藏行為及特性

　　上述的被動組件具有隱藏特性，而且會在PCB中產(chǎn)生射頻能量，但為何會如此呢?為了了解其原由，必須明白Maxwell方程式。Maxwell的四個方程式說明了電場和磁場之間的關系，而且它們是從Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推論而來的。這些方程式描述了在一個閉回路環(huán)境中，電磁場強度和電流密度的特性，而且需要使用高等微積分來計算。因為Maxwell方程式非常的復雜，在此僅做簡要的說明。其實，PCB布線工程師并不需要完全了解Maxwell方程式的詳細知識，只要了解其中的重點，就能完成EMC設計。完整的Maxwell方程式條列如下：

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　　在上述的方程式中，J、E、B、H是向量。此外，與Maxwell方程式相關的基本物理觀念有：

　　●Maxwell方程式說明了電荷、電流、磁場和電場之間的交互作用。

　　●可用「Lorentz力」來形容電場和磁場施加在帶電粒子上的物理作用力。

　　●所有物質(zhì)對其它物質(zhì)都具有一種組成關系。這包含：

　　1. 導電率(conductivity)：電流與電場的關系(物質(zhì)的奧姆定律)：J=σE。

　　2. 導磁系數(shù)：磁通量和磁場的關系：B=μH。

　　3. 介電常數(shù)( dielectric constant)：電荷儲存和一個電場的關系：D=εE。

　　J = 傳導電流密度，A/m2

　　σ= 物質(zhì)的導電率

　　E = 電場強度，V/m

　　D = 電通量密度，coulombs/ m2

　　ε= 真空電容率(permittivity)，8.85 pF/m

　　B = 磁通量密度，Weber/ m2或Tesla

　　H = 磁場，A/m

　　μ= 媒材的導磁系數(shù)，H/m

　　依據(jù)Gauss定律，Maxwell的第一方程式也稱作「分離定理(divergence theorem)」。它可以用來說明由于電荷的累積，所產(chǎn)生的靜電場(electrostatic field)E。這種現(xiàn)象，最好在兩個邊界之間做觀察：導電的和不導電的。根據(jù)Gauss定律，在邊界條件下的行為，會產(chǎn)生導電的圍籠(也稱作Faraday cage)，充當成一個靜電的屏蔽。在一個被Faraday箱包圍的封閉區(qū)域，其外部四周的電磁波是無法進入此區(qū)域的。若在Faraday箱內(nèi)有一個電場存在，則在其邊界處，此電場所產(chǎn)生的電荷是集中在邊界內(nèi)側的。在邊界外側的電荷會被內(nèi)部電場排拒在外。

　　Maxwell的第二方程式表示，在自然界沒有磁荷(mag

　　netic charge)存在，只有電荷存在，也就是說沒有單一磁極(magnetic monopole)存在。雖然，目前的統(tǒng)一場理論(Grand Unified Theory)預測有很少的磁荷存在，但迄今都無法從實驗中證明。這些電荷是帶正電的或負電的。磁場是透過電流和電場的作用產(chǎn)生的。由于電流和電場的發(fā)射，使它們成為輻射能量的來源點。磁場在電流四周形成一個封閉的循環(huán)，而磁場是由電流產(chǎn)生的。

　　Maxwell的第三方程式也稱作「感應的Faraday定律」，說明當磁場環(huán)繞著一個封閉的電路時，此磁場會使此封閉電路產(chǎn)生電流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示變動的磁場會產(chǎn)生電場。磁場通常存在于變壓器或線圈，例如：馬達、發(fā)電機…等。第三和第四方程式的交互作用，正是EMC的主要焦點。兩者一起來說，它們說明了耦合的電場和磁場是如何以光速輻射或傳播。這個方程式也說明了「集膚效應(skin effect)」的概念，它可以預測「磁屏蔽(magnetic shielding)」的有效性。此外，它也說明了電感的特性，而電感允許天線能合理地存在。

　　Maxwell的第四方程式也稱作Ampere定律。此方程式說明了產(chǎn)生磁場的兩個來源。第一個來源是，電流以傳輸電荷的形式在流動。第二個來源是，當變動的電場環(huán)繞著一個封閉的電路時，會產(chǎn)生磁場。這些電和磁的來源，說明了電感和電磁的作用。在此方程式中，J就代表以電流產(chǎn)生磁場的分量;就是以電場產(chǎn)生磁場的分量。

　　綜合而言，Maxwell方程式可以說明在PCB中，EMI是如何產(chǎn)生的。PCB是一個會隨時間改變電流大小的環(huán)境，而這些微積分方程式正是要對發(fā)生EMI的根源做解析。靜電荷分布會產(chǎn)生靜電場，而不是磁場。固定電流會同時產(chǎn)生靜磁場和靜電場。時變(time-varying)電流會同時產(chǎn)生電場和磁場。

　　靜電場會儲存能量，這是電容的基本功能：累積和保有電荷。固定的電流源是電感的基本功能和概念。