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电荷和磁通是集总电路的两种能量载体,其准静态规律,总结为两个泊松方程:电荷建立电标势的泊松方程和安培-麦克斯韦环流建立磁矢势的泊松方程,详见《电磁场的波动方程与准静态方程》。
从集总电路的准静态电磁场方程出发,可推导出集总电路的统一电荷传输方程和系统模型。详见《电路中的电磁场(9)——从电磁场基本方程推导电路的电荷传输方程及其动力学模型》。
集总电路的电荷传输系统模型,描述了两种对象(电荷泵和节点)的三种相互作用(节点之间的电场相互作用,电荷泵之间的磁场相互作用,节点与电荷泵之间的电荷交互作用)。
电荷传输系统的“两种对象三种关联“,用相应的符号表示,可绘制出集总电路的电荷传输网络图——电荷流(Electric Charge Flow,ECF)图。
电荷传输系统模型与ECF图符号的对应关系,如图1所示。可以看到,ECF图与系统模型是一一对应的:两种对象以及两种对象间的三种关联,都一一用图形符号表示。
因此,绘制完成一个电路的ECF图,立即得到该电路的电路方程和系统模型,用于电路仿真分析。这是一种回归电路物理本质的分析方法。
电荷流(ECF)图,是一般化的载流子流图在电荷传输系统中的应用,详见《“哥尼斯堡”电路学(6)—载流子流(ECF)图》。
图1. 集总电路的电荷传输模型及其ECF图符号
附:ECF图示例
1)常规RLC电路的ECF图。一个典型RLC电路的ECF图,详见《电路的载流子流图示例(1)—— 一个简单RLC电路》。
2)半导体PN结电路的ECF图。一个典型PN结电路的ECF图,详见《电路的载流子流图示例(2)—— 一个PN结电路》。
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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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