静磁场
目录
1 磁矢势 3
2 矢势的微分方程 3
3 矢势的边值关系 4
4 静磁场的能量 4
4.1 外场中电流系统的能量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5 磁标势 5
6 静磁场与静电场的对比 5
7 简单情况下的矢势 6
8 磁单极子矢势解 6
9 奇异弦势 7
10 电流系统在远处的矢势 7
11 电流环的磁偶极矩 8
12 小区域电流分布与外场的相互作用能 9
13 外场中磁偶极子的等效势能 9
1
14 A-B 效应 10
15 超导体的电磁性质 10
15.1 Meissner 效应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
15.2 理想导体欧姆定律 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
15.3 理想导体中的磁通冻结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
15.4 超导现象的二流体唯象理论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
15.5 伦敦第一方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
15.6 伦敦第二方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
15.7 超导体电磁性质方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
15.8 超导体表面电流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
15.9 超导体是完全抗磁体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1 磁矢势
当系统不随时间变化时,
𝜕
𝜕𝑡
= 0, 电场, 磁场可以分离
× H = J
· B = 0
+ H H (B) B (𝑥, 𝑦, 𝑧)
静磁场是无源场, 可以引入磁矢势 A(𝑥, 𝑦, 𝑧)
B = × A
写成积分就是
𝑆
B · 𝑑S =
𝐿
A · 𝑑l
磁矢势沿闭合曲线的环量代表通过该回路围成的曲面上的磁通量
矢势是不唯一的, A B 的矢势, A + 𝜓 也可以是 B 的矢势
× (A + 𝜓) = × A = B
需要对矢势做出一些限制, 称为规范
· A = 0
称为库伦规范. · A = 𝑢, 那么构造
A
= A + 𝜓
其中
2
𝜓 = 𝑢 即可使新的矢势满足库伦规范
2 矢势的微分方程
对各向同性的线性介质有
B = 𝜇H , × H = J
代入磁矢势有
×
1
𝜇
× A
= J
若是均匀介质 𝜇 为常数, 则有
× ( × A) = 𝜇J
或者
( · A)
2
A = 𝜇J
采用库伦规范时 ( · A = 0)
2
A = 𝜇J
它等效为三个泊松方程
2
𝐴
𝑥
= 𝜇𝐽
𝑥
2
𝐴
𝑦
= 𝜇𝐽
𝑦
2
𝐴
𝑧
= 𝜇𝐽
𝑧
类比电荷, 有特解
A(X) =
𝜇
4𝜋
𝑉
J (X
)
𝑟
𝑑𝑉
3 矢势的边值关系
磁场的边值关系
ˆ
𝑛 · (B
2
B
1
),
ˆ
𝑛 × (H
2
H
1
) = K
代入矢势得到
ˆ
𝑛 · ( × A
2
× A
1
) = 0,
ˆ
𝑛 ×
1
𝜇
2
× A
2
1
𝜇
1
× A
1
= K
实际上有更强的条件可以替代
ˆ
𝑛 × (A
2
A
1
) = 0,
ˆ
𝑛 · (A
2
A
1
) = 0
这是因为
ˆ
𝑛 · ( × A
2
× A
1
) =
𝜕 𝐴
𝑦
𝜕𝑥
𝜕 𝐴
𝑥
𝜕𝑦
2
𝜕 𝐴
𝑦
𝜕𝑥
𝜕 𝐴
𝑥
𝜕𝑦
1
=
𝜕
𝜕𝑥
(𝐴
𝑦2
𝐴
𝑦1
)
𝜕
𝜕𝑦
(𝐴
𝑥2
𝐴
𝑥1
) = 0
但是矢势的连续与磁场切向是否连续不矛盾, 因为 A 连续不代表
𝜕 𝐴
𝑥
𝜕𝑧
,
𝜕 𝐴
𝑦
𝜕𝑧
连续
4 静磁场的能量
静磁场的能量
𝑊 =
1
2
B · H 𝑑𝑉 =
1
2
( × A) · H 𝑑𝑉
利用矢势改写 B
𝑊 =
1
2
(A × H) · 𝑑S +
A · J 𝑑𝑉
第一项是一阶无穷小, 那么
𝑊 =
A · J 𝑑𝑉
4.1 外场中电流系统的能量
考察两个电流系统, 电流分布分别为 J
1
, J
2
, 产生的矢势分别为 A
1
, A
2
, 则两个体系的相互作用能定义
𝑊
12
𝑊
0
𝑊
1
𝑊
2
那么
𝑊 =
1
2
(J
1
+ J
2
) · (A
1
+ A
2
)𝑑𝑉
1
2
J
1
· A
1
𝑑𝑉 +
J
2
· A
2
𝑑𝑉
因而
𝑊
12
=
1
2
(J
1
· A
2
J
2
· A
1
)𝑑𝑉
电流系统与外磁场的相互作用能
𝑊 =
𝑉
J · A
e
𝑑𝑉
5 磁标势
对自由电流为零的区域
× H = 0
· B = 0
+ B = 𝜇
0
(H + M ) = 𝑓 (H)
× H = 0
· H = · M
𝜌
𝑚
𝜇
0
由此定义 磁荷密度
𝜌
𝑚
𝜇
0
· M
对于自由电流为零的区域, 同时对区域内任何环路
𝐿
H · 𝑑l = 0
引入磁标势 𝜑
𝑚
6 静磁场与静电场的对比
静电场 静磁场
× E = 0 H = 0
· E =
1
𝜖
0
(𝜌
𝑓
+ 𝜌
𝑃
) · H =
1
𝜇
0
𝜌
𝑚
𝜌
𝑃
= −∇ · P 𝜌
𝑚
= 𝜇
0
· M
D = 𝜖
0
E + P B = 𝜇
0
H + 𝜇
0
M
E = 𝜑 H = −∇𝜑
𝑚
除了无自由磁荷外, 与静电场完全相同
7 简单情况下的矢势
均匀磁场 B = 𝐵
0
ˆ
𝑧 的矢势, 在柱坐标下
1
𝑟
𝜕 𝐴
𝑧
𝜕𝜃
𝜕 𝐴
𝜃
𝜕𝑧
= 0,
𝜕 𝐴
𝑟
𝜕𝑧
𝜕 𝐴
𝑧
𝜕𝑟
= 0,
1
𝑟
𝜕
𝜕𝑟
( 𝑟 𝐴
𝜃
)
𝜕 𝐴
𝑟
𝜕𝜃
= 𝐵
0
𝐴
𝑟
= 𝐴
𝑧
= 0, 那么
𝜕 𝐴
𝜃
𝜕𝑧
= 0,
𝜕
𝜕𝑟
( 𝑟 𝐴
𝜃
) = 𝑟 𝐵
0
得到
𝐴
𝑟
= 𝐴
𝑧
= 0, 𝐴
𝜃
=
1
2
𝐵
0
𝑟
一般情形下
A =
1
2
B × r
无限长导线产生磁场的矢势, 在柱坐标下
1
𝑟
𝜕 𝐴
𝑧
𝜕𝜃
𝜕 𝐴𝜃
𝜕𝑧
= 0,
𝜕 𝐴
𝑟
𝜕𝑧
𝜕 𝐴
𝑧
𝜕𝑟
=
𝜇
0
𝐼
2𝜋𝑟
,
1
𝑟
𝜕
𝜕𝑟
( 𝑟 𝐴
𝜃
𝜕 𝐴
𝑟
𝜕𝜃
)
= 0
𝐴
𝑟
= 𝐴
𝜃
= 0, 得到
𝜕 𝐴
𝑧
𝜕𝜃
= 0,
𝜕 𝐴
𝑧
𝜕𝑟
=
𝜇
0
𝐼
2𝜋𝑟
得到
𝐴
𝑟
= 𝐴
𝜃
= 0, 𝐴
𝑧
=
𝜇
0
𝐼
2𝜋
ln
𝑟
𝑟
0
8 磁单极子矢势解
采用球坐标
× A = B =
𝑞
𝑚
4𝜋
r
𝑟
3
那么
1
𝑟 sin 𝜃
𝜕
𝜕𝜃
(sin 𝜃𝐴
𝜙
)
𝜕 𝐴
𝜃
𝜕𝜙
=
𝑞
𝑚
4𝜋𝑟
2
1
𝑟
1
𝑠𝑖𝑛𝜃
𝜕 𝐴
𝑟
𝜕𝜙
𝜕
𝜕𝑟
( 𝑟 𝐴
𝜙
)
= 0,
1
𝑟
𝜕
𝜕𝑟
( 𝑟 𝐴
𝜙
)
𝜕 𝐴
𝑟
𝜕𝜃
= 0
𝐴
𝑟
= 𝐴
𝜃
= 0
𝜕
𝜕𝜃
(sin 𝜃𝐴
𝜙
) =
𝑞
𝑚
4𝜋
sin 𝜃
𝑟
,
𝜕
𝜕𝑟
( 𝑟 𝐴
𝜙
) = 0
得到
𝐴
𝜙
=
𝑓 (𝜃)
𝑟
,
𝜕
𝜕𝜃
(sin 𝜃 𝑓 (𝜃)) =
𝑞
𝑚
4𝜋
sin 𝜃
那么
𝑓 (𝜃) =
𝑞
𝑚
4𝜋
(1 cos 𝜃)
sin 𝜃
9 奇异弦势
𝐴
𝑟
= 𝐴
𝜃
= 0, 𝐴
𝜙
𝑞
𝑚
4𝜋
1 cos 𝜃
sin 𝜃
× A =
𝑞
𝑚
4𝜋
r
𝑟
3
+ B
h
其中 B
h
是奇异区域的奇异场
B
h
𝑞
𝑚
𝛿(𝑥)𝛿(𝑦)(𝑧)
ˆ
𝑧
那么
𝐿
A · 𝑑l =
2 𝜋
0
𝐴
𝜙
𝑟 sin 𝜃𝑑𝜙 =
𝑞
𝑚
2
(1 cos 𝜃) 𝑞
𝑚
利用 Stokes 定理得到
𝐿
A · 𝑑l =
𝑆
( × A) · 𝑑S =
h
𝑞
𝑚
4𝜋
r
𝑟
3
+ B
h
i
· 𝑑S 𝑞
𝑚
除去非物理的奇异部分, 磁单极子场为
B = × A B
h
· B = · ( × A) · B
h
= −∇ · B
h
= 𝑞
𝑚
𝛿(𝑥)𝛿(𝑦)𝛿(𝑧) = 𝑞
𝑚
𝛿(r)
10 电流系统在远处的矢势
若电流分布在有限的空间, 空间的线度为 𝑙, 则该电流分布对空间较远 𝑟 产生的场, 可以按照小量
𝑙
𝑟
A(X) =
𝜇
0
4𝜋
𝑉
J (X
)
𝑟
𝑑𝑉
𝑟
X X
, 𝑅 X, 𝑟
X
𝑟 X
= 0 处展开
1
𝑟
=
1
𝑅
3
Õ
𝑖=1
𝑥
𝑖
𝜕
𝜕𝑥
𝑖
1
𝑅
+
1
2!
3
Õ
𝑖, 𝑗=1
𝑥
𝑖
𝑥
𝑗
𝜕
2
𝜕𝑥
𝑖
𝜕𝑥
𝑗
1
𝑅
+ ···
那么
A(X) A
(0)
+ A
(1)
+ ···
其中
A
(0)
𝜇
0
4𝜋
𝑉
J (X
)
𝑅
𝑑𝑉
=
𝜇
0
4𝜋𝑅
𝑉
J (X
)𝑑𝑉
= 0
这是因为电流可以分成电流环的叠加
A
(1)
𝜇
0
4𝜋
𝑉
J (X
)
3
Õ
𝑖=1
𝑥
𝑖
𝜕
𝜕𝑥
𝑖
1
𝑅
𝑑𝑉
=
𝜇
0
4𝜋
𝑉
J (X
)X
·
1
𝑅
𝑑𝑉
=
𝜇
0
4𝜋
Õ
𝑖
𝐿
𝑖
𝐼
𝑖
𝑑l
"
X
·
1
𝑅
𝑖
#
=
𝜇
0
4𝜋𝑅
3
Õ
𝑖
𝐿
𝑖
𝑑l
(X
· R) =
𝜇
0
4𝜋𝑅
3
Õ
𝑖
𝐼
𝑖
𝐿
𝑖
𝑑X
(X
· R)
考虑
0 =
𝐿
𝑑[X
(X
· R)] =
𝐿
(X
· R)𝑑X
+
𝐿
X
(𝑑X
· R)
𝐿
(X
× 𝑑X
) × R
=
𝐿
(X
· R)𝑑X
𝐿
X
(𝑑X
· R)
相加得到
𝐿
(X
· R)𝑑X
=
1
2
𝐿
(X
× 𝑑X
) × R
那么上述积分就变为
A
(1)
=
𝜇
0
4𝜋𝑅
3
Õ
𝑖
1
2
𝐼
𝑖
𝐿
𝑖
(X
× 𝑑X
) × R =
𝜇
0
4𝜋
1
2
𝑉
X
× J (X
)𝑑𝑉
×
R
𝑅
3
𝜇
0
m ×
R
𝑅
3
其中 m 称为磁偶极矩, 定义为
m
1
2
𝑉
X
× J (X
)𝑑𝑉
磁偶极子的场
A =
𝜇
0
4𝜋
m ×
R
𝑅
3
B = × A =
𝜇
0
4𝜋
×
m ×
R
𝑅
3
=
𝜇
0
4𝜋
m
·
R
𝑅
3
(m · ∇)
R
𝑅
3
=
𝜇
0
4𝜋
(m · ∇)
R
𝑅
3
=
𝜇
0
4𝜋
m · R
𝑅
3
又由于
B 𝜇
0
𝜑
𝑚
那么磁偶极子具有磁标势
𝜑
𝑚
m · R
4𝜋𝑅
3
11 电流环的磁偶极矩
对于电流环
m =
𝐼
2
𝐿
X
× 𝑑X
= 𝐼ΔS
电流环在远处产生的场可以用偶极子近似
B = 𝜇
0
𝜑
𝑚
=
𝜇
0
4𝜋
m · R
𝑅
3
电流环在近处产生的场可以用一个个小的电流环组合近似
𝜑
𝑚
=
𝑆
𝐼R
4𝜋𝑅
3
· 𝑑S =
𝐼
4𝜋
Ω
电流环张角的梯度就是磁场
B = 𝜇
0
𝜑
𝑚
=
𝜇
0
𝐼
4𝜋
Ω
12 小区域电流分布与外场的相互作用能
电流分布与外场中的相互作用能
𝑊 =
𝑉
J · J
𝑒
𝑑𝑉
电流环与外场中的相互作用能量
𝑊 = 𝐼
𝐿
A
𝑒
· 𝑑l = 𝐼
𝑆
B
𝑒
· S = 𝐼Φ
小区域电流分布与外场中的相互作用能量
𝑊 =
Õ
𝑖
𝐼
𝑖
𝐿
𝑖
A
e
· 𝑑l =
Õ
𝑖
𝐼
𝑖
𝑆
B · 𝑑S
Õ
𝑖
𝐼
𝑖
𝑆
B
e
(0) · 𝑑S = B
e
(0) ·
Õ
𝑖
𝐼
𝑖
𝑆
𝑑S = m · B
e
(0)
13 外场中磁偶极子的等效势能
两电流环相互作用能
𝑊 =
1
2
𝑉
(J · A
𝑒
+ J
e
· A)𝑑𝑉 =
1
2
(𝐼Φ
𝑒
+ 𝐼
𝑒
Φ)
那么
𝛿𝑊 =
1
2
(𝛿𝐼Φ
𝑒
+ 𝛿𝐼
𝑒
Φ + 𝐼𝛿Φ
𝑒
+ 𝐼
𝑒
𝛿Φ)
由于电流是不变的, 那么
𝛿𝑊 =
1
2
(𝐼𝛿Φ
𝑒
+ 𝐼
𝑒
𝛿Φ)
磁通变化会产生感生电动势, 它做的负功为
𝛿𝑊
𝑖
=
𝑑Φ
𝑒
𝑑𝑡
𝛿𝑡 𝐼
𝑒
dΦ
d𝑡
𝛿𝑡 = 𝐼𝛿Φ
𝑒
𝐼
𝑒
𝛿Φ = 2𝛿𝑊
要维持电流不变, 需要外部电源抵消感生电动势做功
𝛿𝑊
𝑠
= 𝛿𝑊
𝑖
= 2𝛿𝑊
这不是一个孤立体系
外界能量输入 = 磁能增加 + 电流环运动动能
𝛿𝑊
𝑠
= 𝛿𝑊 + 𝛿 𝐴
那么等效势能
𝛿𝑉 = 𝛿 𝐴 = 𝛿𝑊 𝛿𝑊
𝑠
= 𝛿𝑊
那么外场中的偶极子受力
F = −∇𝑉 = (m · B
e
) = m × ( × B
e
) + (m)
14 A-B 效应
15 超导体的电磁性质
超导电性: 电阻率为零, 电导率为无穷大
𝜎
当温度下降到某临界温度之下, 物质的电阻率突然下降至零, 对于汞而言
𝑇
𝑐
= 4.2𝐾
临界温度与外加磁场有关
𝐻
𝑐
= 𝐻
𝑐
(0)
1
𝑇
2
𝑇
2
𝑐
15.1 Meissner 效应
超导体内部磁感应强度为零. 与外加磁场的过程无关, 若物质内部有磁场, 则进入超导相后磁场排出
Meissner 效应与超导电性是相互独立的效应
15.2 理想导体欧姆定律
在电磁场中运动的理想导体, 欧姆定律为
J = 𝜎(E + u × B)
那么 𝜎
E + u × B = 0
15.3 理想导体中的磁通冻结
理想导体中任一回路包围的磁通变化
dΦ
d𝑡
=
d
d𝑡
𝑆
B · 𝑑S =
𝑆
𝜕B
𝜕𝑡
· 𝑑S +
𝐿
B · (u × 𝑑l)
=
𝑆
( × E) · 𝑑S
𝐿
(u × B) · 𝑑l
=
𝐿
E · 𝑑l
𝐿
(u × B) · 𝑑l
=
𝐿
(E + u × B) · 𝑑l
= 0
由理想导体包围的磁通量保持不变 (但是并没有要求为零)
15.4 超导现象的二流体唯象理论
超导体中, 传导电子可以分成两类: 普通电子和超导电子
𝑛
𝑒
= 𝑛
𝑛
+ 𝑛
𝑠
超导电子是结成库珀对的电子.
1. 库珀电子对具有相反的动量, 总动量为零
2. 库珀对形成必须要借助于晶格振动 (声子), 形成引力而关联
3. 库珀对动量小, 波长大, 不受晶格缺陷和杂质散射, 无电阻
4. 所有库珀对凝聚于相同的量子态, 比自由态的电子能量低
15.5 伦敦第一方程
在超导体中
𝑛
𝑒
= 𝑛
𝑛
+ 𝑛
𝑠
, J = J
n
+ J
s
J
n
= 𝜎E, J
s
= 𝑒𝑛
𝑠
v
s
由牛顿定律
𝑚
𝑒
dv
s
d𝑡
= 𝑒E
那么
𝜕𝐽
𝑠
𝜕𝑡
= 𝑒𝑛
𝑠
dv
s
d𝑡
=
𝑛
𝑠
𝑒
2
𝑚
𝑒
E 𝛼E
其中
𝛼
𝑛
𝑠
𝑒
2
𝑚
𝑒
称为伦敦第一方程. 在稳态情况
𝜕J
s
𝜕𝑡
= 0, 那么 E = 0, 那么 J
n
= 0, 但是 J
s
0. 电流全部来自超导电子
15.6 伦敦第二方程
若超导体中的电流产生的磁场总是抵消外加磁场, 则可以解释 Meissner 效应
× J
s
= 𝛼
1
B
与方程 × B = 𝜇
0
J
s
联立得到
2
B = 𝛼
1
𝜇
0
B,
2
J
s
= 𝛼
1
𝜇
0
J
s
这是扩散方程, 一维情况的解为
B (𝑧) = B (0)𝑒
𝑧/𝜆
𝐿
,
J
s
(
𝑧
)
=
J
s
(
0
)
𝑒
𝑧/𝜆
𝐿
其中
𝜆
𝐿
1
𝛼
1
𝜇
0
称为穿透深度. 超导体内部磁场指数衰减, 若穿透深度很小, 即可以解释 Meissner 效应
15.7 超导体电磁性质方程
描述超导体现象的超导体电磁性质方程为
𝜕J
S
𝜕𝑡
= 𝛼E
× J
s
= 𝛼B
其中
𝛼
𝑛
𝑠
𝑒
2
𝑚
𝑒
这个系数应该是一致的, 这是因为
𝜕
𝜕𝑡
( × J
s
) = 𝛼
1
𝜕B
𝜕𝑡
= 𝛼
1
× E
求导可交换, 那么
×
𝜕𝐽
𝑠
𝜕𝑡
𝛼
1
E
= 0
得到
𝜕𝐽
𝑠
𝜕𝑡
= 𝛼
1
E + 𝜓
其中 𝜓 为任意标量场. 若是希望自洽, 则应该取
𝛼 = 𝛼
1
, 𝜓 = 0
15.8 超导体表面电流
超导体内部磁感应强度为零, 超导电流是表面电流
𝛼
𝑠
=
0
J
s
(𝑧)𝑑𝑧 =
0
J
s
(0)𝑒
𝑧/𝜆
𝐿
= 𝜆
𝐿
J
s
(0)
超导体表面电流与外表面 (真空) 磁场关系
ˆ
𝑛 × B = 𝜇
0
α
s
这是因为
ˆ
𝑛 × (H
2
H
1
) = α
s
超导体表面磁场平行于表面
ˆ
𝑛 · B = 0
这是因为
ˆ
𝑛 · (B
2
B
1
) = 0
15.9 超导体是完全抗磁体
可以将超导电流视为磁化电流, 超导体视为磁介质
B = 𝜇H = 0
也就是
B = 𝜇
0
(H + M ) = 0 M = H
也就是
𝜇 = 𝜇
0
(1 + 𝜒
𝑀
) = 0 𝜒
𝑀
= 1
超导体是完全抗磁体, 超导电流源于外加磁场. 超导电流有两种描述方式
1. 超导电流为自由电流, 磁导率 𝜇 = 𝜇
0
2. 超导电流为磁化电流, 磁导率 𝜇 = 0