磁矢势

学术   教育   2024-10-14 11:03   广东  

从磁通连续定理出发,可以引入一个与恒定磁场相关的物理量:磁矢势。

在讨论静电场的问题时,我们曾经得到过一个重要的自然规律:静电场的环路积分恒等于零。从静电场的环路定理出发,可以引入一个与静电场相关的物理量:电势

在讨论恒定磁场的问题时,也得到过一个重要的自然规律:恒定磁场对一个封闭曲面的积分恒等于零。这个自然规律与静电场的环路定理很相似,于是,自然就会提出这样一个问题:从磁通连续定理出发,是否也可以引入一个与电势对应的物理量呢?

根据磁通连续定理,通过一个封闭曲面的磁通量恒等于零:将所研究的封闭曲面  切开成两个开放的曲面  和  ,它们的公共边界  是一条闭合的曲线,在这条闭合曲线上选定一个走向,如下左图所示。

对于一个封闭的曲面,习惯上将其上每一点处的外法向选定为该点的法向,如下中图所示。但是,一旦把封闭曲面切开,两个曲面就变成开放的曲面,外法向的概念就不存在了,应该重新定义这两个曲面上每一点处的法向。

对于一个开放的曲面,习惯上先在它的边界上选定一个走向,再沿着边界的走向按照右手螺旋法则确定该曲面上每一点处的法向,如上右图所示。按照开放曲面的法向的这种确定方法,当我们将一个封闭曲面切开后,在两个开放曲面中,其中一个曲面上每一点处的法向就应该与原先处于封闭状态下定义的外法向相反,如上左图所示。

有了上面这些基本物理图象,就可以将磁通连续定理改写,变成通过两个具有公共边界的开放曲面的磁通量之间的关系:已经利用了 "  上每一点处的法向与封闭曲面的外法向相反" 这个性质,如上左图所示。这个关系显示,一个曲面无论具有怎样的形状,通过它的磁通量只与它的边界有关,与曲面的具体形状没有关系。这就意味着,对一个确定的磁场  和一个确定的曲面  ,总可以找到一个矢量场  ,使得通过该曲面的磁通量等于这个矢量场沿曲面边界  的积分:把具有这个效果的矢量场称为磁矢势。

由磁矢势的这个定义式不难看出,对一个确定的磁场,磁矢势不是唯一的:当磁矢势沿曲线积分时,在积分路径上的每一点处,  只有沿着曲线切向的那部分对积分有贡献。既然垂直于积分曲线切向的部分对积分没有贡献,那么,对一个确定的  ,加上任意一个与积分曲线正交的矢量场,并不会改变积分的结果。

与电势的零点相似,磁矢势的零点也有一定的任意性。在讨论磁矢势时,可以根据具体问题的特点选择适当的零点,使磁矢势的最终表达式以一种简洁的形式出现。这个问题就留待具体计算时再做讨论吧。

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