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在《电路中的电磁场(3)——图示电磁场分量的建立过程》中,直观展示了麦克斯韦方程组的电场和磁场分量在电路中的建立过程。可以看到,集总参数电路(简称集总电路)由库仑电场、安培磁场、法拉第电场三种分量主导,麦克斯韦电场和麦克斯韦磁场分量的作用可以忽略不计。
只考虑库仑电场、安培磁场、法拉第电场三种分量,集总电路的麦克斯韦方程组,最终导出一个电标势和一个磁矢势的泊松方程,如图1 所示。相应的,库仑电场是电标势的梯度,安培磁场是磁矢势的旋度,法拉第电场是磁矢势的变化率。
图1. 集总电路的麦克斯韦方程组与电磁场分量表达式
集总电路电磁场分量的物理解释,如图2 所示。可以看出,电荷和磁通就是电路的两种载流子。对于不同的载流子,电磁场分量有不同的物理解释:
1)在节点上,元件电流(面密度为 J)从节点导出电荷,减小电标势;其电流值代表电通量的传输速率;在回路中,元件电流生成磁通,建立磁矢势。
2)在回路中,元件电压(线密度为 E)从回路吸收磁通,减小磁矢势;其电压值代表磁通量的传输速率;在节点上,元件电压吸引电荷,建立电标势。
将电磁场分量与电路变量对应起来,就得到了电路变量的物理解释,另见《电路的载流子流图示例(18)——解读电路变量的物理意义》。
图2. 集总电路电磁场分量的物理解释
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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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