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电路是用导线将一组元件的端子接到节点制成的网络,是一个调控电荷活动的连通域。当电荷在外部电源驱动下在连通域中流动起来时,将生成三种电场分量和两种磁场分量。五种电磁场分量的定义,见于《电路中的电磁场(1)——电场和磁场分量》。
电路中的五种电磁场分量及其形成机制,如图1所示 [1]。其中,电路元件,如同阀门,根据其所受的电场力,调节着流经电流的大小。
流出元件的电流,在汇入的节点上,产生库仑电场;在流经的支路上,生成安培磁场,并感应出法拉第电场。
所产生的法拉第电场,进一步感应出麦克斯韦磁场和麦克斯韦电场,从而形成了不经过元件就能持续生成电磁场的闭环反馈机制。该机制持续输出的电磁场,就是向外辐射的电磁波。
图1. 电路的全电磁场分量及其相互作用模型 [1]
如果忽略空间电场再次生成的电磁场,只考虑节点电荷产生的库仑电场和支路电流感应的法拉第电场,就可以得到集总参数电路(lumped-parameter circuit)的电磁场分量及其关系模型,如图2所示 [1]。
图2. 集总参数电路的电磁场分量及其相互作用模型 [1]
上述电磁场分量及其相互作用模型,描绘了电路更为本质的工作机制。
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电磁场通量分配模型(Electromagnetic-Flux-Distribution Model)是一种以电荷和磁通为载流子,分析约瑟夫森结电路、相滑移结电路等相位相关(phase-dependent)电路的通用模型。其对应的 磁通流通图(Magnetic-Flux-Flow diagram,MFF diagram)和 电通流图(Electric-charge-flow diagram,ECF diagram)是描绘电荷和磁通传输的交互式电路图,能帮助我们更直观地分析载流子的电磁场相互作用,加深对电路功能的理解 [1-4]。特别的,MFF图以磁通为载流子,直观的诠释了 具有宏观量子效应的超导约瑟夫森结电路 的工作原理。
[1] Y. L. Wang, " Electromagnetic-Field-Based Circuit Theory and Charge-Flux-Flow Diagrams," arXiv:2403.16025, pp. 1-40, 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.16025
[2] Y. L. Wang, "An Electromagnetic-Flux-Distribution Model for Analyses of Superconducting Josephson Junction Circuits and Quantum Phase-Slip Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 5, pp. 1-6, Aug 2022.
[3] Y. L. Wang, "Magnetic-Flux-Flow Diagrams for Design and Analysis of Josephson Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 33, no. 7, pp. 1-8, Oct 2023
[4] Y. L. Wang, "A general flux-Based Circuit Theory for Superconducting Josephson Junction Circuits," arXiv:2308.01693, pp. 1-35, 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv. 2308.01693
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