电磁波速度

实验室测量电磁波在导线中传播速度的一种方法

刘德力（lx760506@）

电磁波在导线中的传播速度可以在实验室里测出。做这个实验需要的仪器设备要求比较

高，但还是可以找到。电磁波在导线中的传播速度实际早已有定论，就是不超过自由空间里

的光速。这个结论不管是在理论上还是实践中都早已证明了。但现在还是有很多人想通过这

类实验来发现电磁波信号在导线中的传输会有超光速的现象。他们设计了所谓的实验，采取

了错误的方法和手段，当然不可能得出正确的结论。

本文介绍一个有理论根据的，有说服力的实验方法来再次证明电磁波在导线中的传播速

度不会超过光速。如果你手头有仪器的话，马上就可能验证一下导线中电磁波的传播速度不

会超过光速。

1.实验方法

首先我们需要两台仪器，就目前一般实验室的水平最好选择一台宽带数字示波器和一台

有短脉冲（单脉冲）输出功能的信号发生器。前者比较好找，后者有点困难。有条件的话可

以自己动手做一个。也能用高频连续波信号发生器来代替一下，但在最终对结果分析计算会

有点麻烦。

有了两台仪器再找一根铜导线，比如一根100米长，直径为1～2毫米的漆包线就可以

做实验了。下面的分析可见导线长度越短对仪器要求越高，导线越长越容易测量，测量精度

也越高。

1)把导线拉直并两端固定好，一端靠近测量仪器，一端远离仪器对地开路，如图1

所示连接。

图1实验装置

2)设置信号发生器输出短脉冲方波，脉宽100ns，幅度大于200mV，重复周期1000ns,

即1μs，输出信号波形如图2。短脉冲信号经过功率分配器（三通）一路连接导

线一端，同时也是接示波器1通道，另一路直接接示波器2通道。

图2信号发生器输出波形

3)设置示波器为正脉冲上升沿触发方式，触发源采用2通道信号，触发电平选50%

即可。正确选择示波器的扫描时基，选100ns/div，两个通道的测量幅度选择

50mV/div。

一切正确的话，我们可以在示波器上看到：通道1有两个脉冲信号，通道2只有一个脉

冲信号。精确读出通道1的两个脉冲间隔时间，即两个脉冲的上升沿之间的时间间隔Δt。

设导线长度为L，那么我们可以计算出电磁波在导线中的传播速度为V=2×L/Δt。如

果L是75m，Δt在500ns左右。

2.实验原理描述

电磁波的传输必须要花一定的时间，在导线中传输也是一样，假定这个传输速度为V，

从信号源输出的信号在导线上传输，信号到达导线末端因能量没有消耗会反向传回起始端，

我们一般说这个现象是电磁波的反射。所以我们在示波器的1通道就看到了两个脉冲信号。

两个脉冲的时间间隔是脉冲信号在导线上来回传输所花的时间，这样速度计算公式就应该为

V=2×L/Δt。

3.影响实验精度的因素

要精确得到电磁波在导线中传输的速度，必须精确测量Δt。Δt的测量当然需要有高

精度的计时仪器，所以要求这里的示波器性能很好。当Δt数值不够大，测量值精度不够高

时，我们可以适当增加实验导线的长度。导线越长，Δt数值越大，越好测量。但是受示波

器特性和显示范围的限制，导线继续加长，Δt数值虽然增大了但最小分辨率并不会得到提

高。所以，实验导线的长度和计时精度要综合考虑，我们事先可以用2L/c来估计Δt的数量

级，c就是自由空间的光速。

如果我们没有实验要求的脉冲信号发生器，那么只能用高频正弦波信号发生器，反射波

和入射波在导线输入端会产生叠加，叠加的结果以至我们发现不了反射波的存在。这时，我

们可以在功率分配器的两个输出端都串上一个50～100欧的电阻。示波器1，2通道都是显

示一个连续正弦波，但它们会有一个较小的相位差。不难理解这个相位差就是经反射信号叠

加造成的。除了产生相位差外，正弦信号幅度也会变大许多（近一倍）。测出这个相位时间

差，反算出反射波的真实延时值，就得到了前面的Δt，我们一样可以计算出电磁波在导线

中的传输速度。考虑到入射和反射信号叠加结果的信号其相位延迟为ΔΦ，是纯反射波信号

相位延迟的1/2，所以时间延时是Δt=ΔΦ/πf。

图3用正弦波实验的情况

如果我们在导线的开路端观测，如图4，也会看到入射波和反射波的叠加信号，我们

甚至看到的是两次反射叠加信号，这就使结果变得复杂起来。由于反射波总是要迟后入射信

号，我们观测到的叠加信号总是相位落后的。

图4可能测得经多次反射叠加的信号

4.其它讨论

电磁波在导线中的传输，传播方向上有电场分量但没有磁场分量，一般称作横磁波或

TM波。因为只有纵向电场分量，有人又称电波（E波）。其本身还是电磁波，不过是按麦

克斯韦方程和特殊边界条件求得的一种波模式，在介质中的传输速度不会超过自由空间的光

速。另外，纵向波只是振动方向和波的传输方向一致，在空间上有相位相同的点，当然也有

波长的概念。

本文所述的实验方法的原理其实早已有工程应用。工程上使用的电时域反射仪就是一

例。这种仪器可以用来检测长距离输电线或通信线的故障点位置，一般在1000米线路上可

发现的故障点位置误差大约在1米之内。现在普遍在应用的光时域反射仪，用来检测通信光

缆的故障点，也有着类似的原理。对短的传输线测量，因为时间测量精度要求太高（ns级），

工程上应用还有困难，但随着毫微秒脉冲技术的发展，这种应用在逐步扩大。