王永良
电路中的电磁场(10)——从电磁场基本方程推导电路的磁通传输方程及其动力学模型
2024-9-26 15:36
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电场视角下的电路,是一个电荷传输网络,其统一电路方程和动力学模型,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 》。

对应的,磁场视角下的电路,是由回路二端子元件构成的磁通传输网络,其中回路是磁通容器,二端子元件是磁通泵。可以看到:

1)回路流动着闭合的安培-麦克斯韦环流(JCir),链接着(环环相扣)闭合的磁力线(B)。其中存储的磁能,用穿过回路面的磁通计量。安培-麦克斯韦电流的定义,详见《电路中闭合的安培-麦克斯韦电流》。

2)二端子元件,在所在回路环流的驱动下,吸收所在回路存储的磁通(充入负磁通),或向所在回路注入磁通(充入正磁通)。

对于任意一个由X个回路和Y个磁通泵构成一个磁通传输网络,其磁通传输方程和动力学模型,也由准静态电磁场方程导出。

(一)回路的磁通存储函数

由磁矢势的泊松方程,可推导X个回路的磁通存储函数,如图1所示。其中,电感矩阵Lm描述了回路间的磁场相互作用。详细的数学解析,见《电路中的电磁场(8——回路作为磁通容器的特性 》。

 图1-磁通存储特性.jpg

1. 一组回路的磁通存储函数

 

(二)用作磁通泵的二端子元件

用作磁通泵的二端子元件,自身不存储磁通,只是在回路环流的驱动下,用其两端电压,向其所在的一个或多个回路,充入磁通,实现磁通在回路间的传输。

磁通泵两端的电压大小,代表该磁通泵的磁通传输速率。

磁通泵的等效电路及其电路参数的含义,如图2所示。由于自身不存储磁通,磁通泵是由无感性元件及其并联组合构成的,其中并联的偏置电流源是外加驱动力。

 图2-磁通泵的等效电路.jpg

2. 磁通泵的等效电路

 

磁通泵的驱动电流来自:所在回路的环流,外加偏置电流源,以及由磁通泵两端电压产生的位移电流,如图3 所示。可以看到,电容矩阵Cfp描述了Y个磁通泵之间的电场相互作用。

磁通泵电压电流表达式的详细推导,见于电路中的电磁场(6——元件的电磁场特性》一文。

 图3-磁通泵驱动电流方程.jpg

3. 一组磁通泵的驱动电流方程

 

(三)磁通泵与回路的相互作用

磁通泵向所在回路充入磁通。回路储存嵌在该回路磁通泵注入的磁通,产生环流。环流驱动磁通泵,调节磁通传输量以及传输速率

磁通泵与回路的相互作用方程,如图4所示。其中,磁通泵与回路的连接关系,用关联矩阵σm描述。

在电荷传输网路中,电荷泵与节点间是一对二关联。不同的是,一个磁通泵可以嵌入在一个或多个回路中。因此,磁通泵与回路间是一对多关联。

 图3-元件回路关联.jpg

4. 磁通泵与回路的相互作用方程

 

(四)磁通传输网络的系统模型

将磁通泵和回路的电路方程,绘制成磁通传输电路的统一动力学模型,如图5所示,这就是《哥尼斯堡电路学(4)— 通用系统模型》中以磁通为载流子的传输系统模型。

 图4-磁通传输系统模型.jpg

5. 磁通传输网络的统一动力学模型

 

与电荷传输系统一样,磁通传输系统也包含两种对象和三种关联

两种对象

1X个磁通容器(回路);

2Y个磁通泵(无感性元件及其并联组合)。

三种关联

1X个回路之间的磁场作用关系,用矩阵Lm描述;

2Y个磁通泵之间的电场作用关系,用矩阵Cfp描述;

3X个回路与Y个磁通泵之间的连接关系,用矩阵σm描述。

(五)图(Graph)模型的局限

由顶点(Vertex)和边(Edge)两种对象构成图(Graph),其顶点之间是一对二关联,因为任意一条边,能且只能和两个顶点连接。

在磁通传输系统模型中,一个磁通泵可嵌入在一个多个两个及两个以上)回路中。因此,磁通泵回路之间是一对多关联,超出了只有“一对二关联”图模型的表示范围。

因此,传统的由顶点构成的,已不足以描述磁通传输网路的对象关系,取而代之的是磁通流通图Magnetic-Flux-Flow diagramMFF diagram)。

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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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