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只要明确正负电荷间无旋的库仑电场,就可以从麦克斯韦方程组中解读出:闭合的安培-麦克斯韦电流,闭合的感应磁场,闭合的感应电场,如图1所示。所谓“闭合”是指散度为零。
这些电磁场分量在电路中的基本规律是:
1)无旋的库仑电场始终保持在正负电荷之间,始于正电荷,终于负电荷。
2)当电荷流动起来,就形成了实的安培电流和由时变库仑电场产生的虚的麦克斯韦位移电流。虚实两种电流合成了闭合的安培-麦克斯韦电流。
3)安培-麦克斯韦电流生成闭合的感应磁场;时变感应磁场产生闭合的感应电场;时变感应电场产生闭合的感应磁场。
图1. 麦克斯韦方程组的解读
由电荷守恒定律可证:安培-麦克斯韦电流是闭合的(散度为零),如图2所示。
因此,安培-麦克斯韦电流是一种涡旋电流(简称涡流),电路是人为制造涡流的网络。其内部的物理图像是:外加电源不断将电荷推入导线;导线中的电荷通过库仑电场驱动电荷穿过元件,在环路中激起涡流,并伴随着产生穿过环路面的磁力线。
穿过环路面的磁力线通量——磁通量,与环路中涡流的大小成正比。跟踪记录各环路磁通量的大小,就能反映涡流的分布与变化,实现电路动态特性分析;这就是电路磁通传输模型和磁通流图(Magnetic-Flux-Flow diagram,MFF diagram)的电磁学基础。
图2. 安培-麦克斯韦电流的闭合定律
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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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