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电路中的电磁场(5)——集总电路的两种电磁场作用机制

已有 523 次阅读 2024-8-16 16:28 |个人分类:电路观点|系统分类:科研笔记

用金属导线将一组元件端子连到指定的金属节点上,就制成了一个与集总电路图对应的实际电路。其中的载流子,在元件中穿行,在节点间聚散,循环反复。

集总电路的麦克斯韦方程组的电磁场分量,最终由两种势——电标势磁矢势描述,详见《电路中的电磁场(4——集总电路的麦克斯韦方程组解析 》。其中,电标势由聚集的电荷建立,其能量以电荷为载体,存储在节点中。磁矢势由流动的电荷产生,其能量以磁通为载体,存储在回路中。电路本质上是传输电荷与磁通,建立和转化电标势与磁矢势的网络。

电路的电荷传输机制,如图1 所示。其中的电路元件,根据所加载的电场,调节流经的电流。流经元件的电流,在支路上产生磁通,建立磁矢势,感生阻碍电流增大的法拉第电场。同时,流经元件的电流,向节点汇入电荷,建立库仑电场,反馈驱动元件。该模型中的元件,假定是无电容性的,其流出的电荷全部流入支路、汇入节点。

 图1-元件的电荷传输.jpg

1. 电路的电荷传输模型

 

电路的磁通传输机制,如图2 所示。其中的电路元件,根据流经的电流,调节所承受的电场强度。元件所承受的电场,在元件端吸引电荷,建立电标势,进而产生与元件并联分流的位移电流;同时,元件承受的电场,包含法拉第电场分量,向回路中注入磁通,生成回路电流,反馈驱动元件。该模型中的元件,假定是无电感性的,所承受的电场全部来自回路。

 图2-元件的磁通传输.jpg

2. 电路的磁通传输模型

 

将以上两个模型中的电磁场分量电路变量对应起来,就得到了《哥尼斯堡电路学(4)— 通用系统模型》一文中的通用载流子传输模型,并进一步开发出基于电荷传输模型的电通流图和基于磁通传输模型的磁通流图 [1]

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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 diagramMFF diagram)和 电通流图(Electric-charge-flow diagramECF 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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