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磁矢势

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磁矢势またたたえ磁位磁勢Magnetic vector potential),通常つうじょう標記ひょうきため 。磁向りょうぜいてき旋度これ磁場じば,以方程式ほうていしき表示ひょうじ

其中, これ磁場じば

直觀ちょっかん而言,磁向りょういきおい乎不及磁じょうらい自然しぜん」、「基本きほん」,而在一般電磁學教科書亦多以磁場來定義磁向量勢。ざい電磁でんじがく發展はってん初期しょき,很多學者がくしゃみとめため磁向りょうぜいたい於給ていかいしつ狀態じょうたいなみぼつゆう實際じっさい物理ぶつり意義いぎ[1]じょりょう方便ほうべん計算けいさん以外いがいべつ其它用途ようと[2]ただし詹姆斯·うまかつたけし頗不以為しかみとめため磁向りょういきおい以詮しゃくためまい單位たんい電荷でんかもうかそんてきどうりょう」,就好ぞうでんぜいかいしゃくためまい單位たんい電荷でんかもうかそんてきのうりょう[3]相關そうかん論述ろんじゅつややのちかいゆうさらしょうつき解釋かいしゃく

磁向りょういきおいなみ唯一ゆいいつ定義ていぎてき;其數值是相對そうたいてき相對そうたい於某設定せっていすう值。よし此,學者がくしゃかい疑問ぎもん到底とうていもうかそんりょう多少たしょうどうりょうろん如何いか,磁向りょういきおい確實かくじつ具有ぐゆう實際じっさい意義いぎゆう其是ざい量子力學りょうしりきがくうら,於1959ねんおもね哈諾おっと姆效おう闡明せんめい假設かせつ一個帶電粒子移動經過某零電場、れい磁場じばれい磁向りょうぜいじょう區域くいきのり帶電たいでん粒子りゅうしてきなみ函數かんすうそうかいゆうしょ改變かいへんいん而導致可觀測かんそくいたてき干涉かんしょう現象げんしょう[4] [5]現在げんざい越來ごえくえつ學者がくしゃみとめためでん勢和せいわ磁向りょうぜい電場でんじょう磁場じばさら基本きほん[6]たん如此,ゆう學者がくしゃみとめため,甚至ざい經典きょうてん電磁でんじがくうら,磁向りょういきおい也具有明ありあけかくてき意義いぎ直接的ちょくせつてき測量そくりょう[7]

磁向りょういきおいあずかでんぜい共同きょうどうようらい設定せってい電場でんじょうあずか磁場じば許多きょた電磁でんじがくてき方程式ほうていしき以以電場でんじょうあずか磁場じばうつしあるもの以磁むこうりょういきおいあずかでんいきおいうつし。較高ふかてき理論りろんぞう量子力學りょうしりきがく理論りろんへんこう使用しようてき磁向りょういきおいあずかでんぜい,而不電場でんじょうあずか磁場じばよしためざい這些學術がくじゅつ領域りょういきうらしょ使用しようてきひしげかくろうりょうある哈密ひたぶるりょうみやこただし以磁むこうりょういきおいあずかでんぜいひょうたち,而不以電じょうあずか磁場じばひょうたち

ひらきなんじぶん男爵だんしゃくさいさき於1851ねん引入磁向りょうぜいてき概念がいねんなみ且給てい磁向りょういきおいあずか磁場じばあいだてき關係かんけい[8]

定義ていぎあずか公式こうしき

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根據こんきょこう斯磁定律ていりつ磁場じばにしせんむこうりょうじょうざい空間くうかんうら任意にんい位置いち磁場じばてきたびとう於零:

麼,根據こんきょ姆霍兹定理ていりHelmholtz theorem) ,必定ひつじょう存在そんざいいちごくこうりょうじょうpoloidal vector field滿足まんぞく方程式ほうていしき

(1)

いん此,假設かせつ ざい所有しょゆう位置いち連續れんぞくせいてき良好りょうこう定義ていぎてきのり磁單きょく絕對ぜったい存在そんざい

また根據こんきょやすつちかえ定律ていりつ

其中, これ磁常すう これ電流でんりゅう密度みつど

應用おうよういちのりむかいりょう恆等こうとうしきさい採用さいようくら規範きはんCoulomb gauge), 以得いた

所以ゆえんしたがえやすつちかえ定律ていりつ以推導出どうしゅつ電流でんりゅうてき帕松方程式ほうていしき

這帕まつ方程式ほうていしきてきかいため

其中, じょう位置いち げん位置いち 體積たいせきぶんてき空間くうかん 微小びしょうたい元素げんそ

根據こんきょほうひしげだい感應かんおう定律ていりつ

其中, これ電場でんじょう

じゅう新編しんぺんはい

所以ゆえんざいえん括弧かっこ內的ひょうたちしき具有ぐゆう保守ほしゅせいぼう函數かんすう てきはしご

設定せってい ためでんぜいじゅう新編しんぺんはい以得いた電場でんじょうでんぜい、磁向りょういきおい這三しゃあいだてき關係かんけいしき

(2)

ざい電動でんどう力學りきがく量子力學りょうしりきがくうら採用さいようひしげかくろうひょうじゅつひしげかくろうりょうかいよういた磁向りょうぜい [註 1]さらしょうつきぼそふし,請參閱つつみりつ方程式ほうていしきひしげかくろうりょう

採用さいよう國際こくさい標準ひょうじゅんせい,磁向りょうぜいてき單位たんいためふくとく·びょうおおやけじゃく(volt·second·meter−1)。

ざい電動でんどう力學りきがくてき上下じょうげぶんうら術語じゅつごこうりょうぜい純量じゅんりょうぜい分別ふんべつゆびてき磁向りょういきおいあずかでんぜいざい數學すうがくうら,這兩個りゃんこ術語じゅつごゆうさら廣義こうぎてき意義いぎ

規範きはん設定せってい

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上述じょうじゅつ定義ていぎなみ不能ふのうただ一地設定磁向量勢,いんため添加てんか任意にんい旋矢りょう 於磁りょうかい改變かいへん磁場じば

いん此,磁向りょうぜいゆういち選擇せんたくてき自由じゆう。這狀きょうたたえため規範きはん不變ふへんせい

採用さいよう規範きはんてきうまかつかたほどぐみ

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根據こんきょこう定律ていりつ

其中, これでん常數じょうすう

はた方程式ほうていしき(2)代入だいにゅう採用さいよう規範きはん以得いた

根據こんきょうまかつたけし-やすつちかえ定律ていりつ

はた方程式ほうていしき(1)、(2)代入だいにゅう以得いた

所以ゆえんうまかつかたほどぐみ以寫ため

くら規範きはんてきゆうてん,很容易ようい就可以計算出さんしゅつでんぜいただし計算けいさん磁向りょうぜい比較ひかく困難こんなん

採用さいようろう侖次規範きはんてきうまかつかたほどぐみ

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採用さいようろう侖次規範きはん 必須ひっす滿足まんぞく條件じょうけん

規範きはんてきゆうてんうまかつかたほどぐみ以更簡易かんい對稱たいしょううつしため

達朗たつろうかいなんじさん らい表示ひょうじ

注意ちゅういいた兩個りゃんこ方程式ほうていしきてき形式けいしきためひとし波動はどう方程式ほうていしきみなもと項目こうもく ざい方程式ほうていしき右手みぎて。這方ほどぐみ特別とくべつ適用てきよう於描じゅつ電磁波でんじはてき物理ぶつり行為こうい

電磁でんじよん維勢

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ざい解析かいせき狹義きょうぎ相對そうたいろん問題もんだい,很自然しぜん而然かいはた磁向りょういきおいあずかでんぜい連結れんけつざい一起かずきなりため電磁でんじよん維勢。這樣做法主要しゅようもとさん動機どうき

  • だいいち電磁でんじ四維勢乃是一個四維向量。使用しよう標準ひょうじゅんよん維向りょう變換へんかん規則きそくかりわか知道ともみちざいぼう慣性かんせい參考さんこうけいてき電磁でんじよん維勢,很容易ようい就可以計算出さんしゅつざい其它慣性かんせい參考さんこうけいてきすう值。
  • だい经典电磁がくてき內容以更簡要、さら便利べんり電磁でんじよん維勢ひょうたち特別とくべつとう採用さいようろう侖次規範きはんとき
  • だいさん電磁でんじよん維勢ざい量子りょうし電動でんどう力學りきがくうら佔有重要じゅうようてきかくしょく

電磁でんじよん維勢定義ていぎため

ろう侖次規範きはん抽象ちゅうしょうゆび标记ごう表示ひょうじため

其中, たいはんへんりょうてきへん微分びぶん

うまかつかたほどぐみうつしため

其中, これよん維電りゅう密度みつど

ぜん面談めんだんいたでん勢和せいわ磁向りょうぜい分別ふんべつかいしゃくためごと單位たんい電荷でんかもうかそんのうりょうごと單位たんい電荷でんかもうかそんどうりょう。這可以從它們てきよん維矢りょう觀察かんさつ出來でき思考しこうよん維動りょう,它是ゆかりのうりょう あずかどうりょう 共同きょうどう組成そせいてきよん維矢りょう

改變かいへん觀測かんそくてき參考さんこうけい,四維動量的四個分量會有對應的改變,電磁でんじ四維勢也會有類似的改變。かりわか電磁でんじ四維勢的電勢可以詮釋為每單位電荷儲存能量,麼,電磁でんじよん維勢てき磁向りょういきおいおう該也ゆうあし夠的理由りゆうかいしゃくためごと單位たんい電荷でんかもうかそんどうりょう

したがえげんぶん計算けいさんぜい

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きゅうざいみなもと位置いち てき含時電荷でんかぶん佈或含時電流でんりゅうぶん佈,計算けいさんざいじょう位置いち さんせいてき推遲ぜい

たい靜態せいたいてき電荷でんかぶん佈和電流でんりゅうぶん佈,でんぜい 磁向りょうぜい 分別ふんべつ定義ていぎため

其中, じょう位置いち げん位置いち

ざい電動でんどう力學りきがくうら,這兩個りゃんこ方程式ほうていしき必須ひっす延伸えんしん才能さいのう正確せいかくひびきおう含時電流でんりゅうぶん佈或含時電荷でんかぶん佈。定義ていぎ推遲時間じかん ためけんけん時間じかん 電磁波でんじは傳播でんぱてき時間じかん

其中, これ光速こうそく

假設かせつしたがえげん位置いち 往場位置いち 發射はっしゃいちたば電磁波でんじは,而這たば電磁波でんじはざいけんけん時間じかん 抵達觀測かんそくしゃ的場まとば位置いち のり這束電磁波でんじは發射はっしゃてき時間じかん推遲時間じかん よし電磁波でんじは傳播でんぱ真空しんくうてき速度そくど有限ゆうげんてき觀測かんそくしゃけんけんいた電磁波でんじはてきけんけん時間じかん かい不同ふどう於這電磁波でんじは發射はっしゃてき推遲時間じかん

推遲純量じゅんりょうぜい あずか推遲むこうりょうぜい 分別ふんべつよう方程式ほうていしき定義ていぎため

注意ちゅういざい兩個りゃんこ含時方程式ほうていしき內,みなもと電荷でんか密度みつどげん電流でんりゅう密度みつど跟推おそ時間じかん ゆうせき,而不あずか時間じかん無關むせき

兩個りゃんこ含時方程式ほうていしきよう推理すいりいたてき啟發けいはつしき,而不ようにんなに定律ていりつある公理こうり推導出來できてきよし於訊ごう以光そく傳播でんぱしたがえげん位置いちいたじょう位置いち需要じゅよう有限ゆうげん時間じかん所以ゆえんざい時間じかん てき推遲ぜい必定ひつじょうゆかりざい推遲時間じかん まとげん電荷でんか密度みつどあるみなもと電流でんりゅう密度みつどさんせいてきためりょうよう肯定こうてい兩個りゃんこ方程式ほうていしきてき正確せいかくせいあずか合理ごうりせい,這兩個りゃんこ方程式ほうていしき必須ひっす滿足まんぞくひとしてき電磁波でんじは方程式ほうていしき[9]

磁向りょうぜいじょうせん

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採用さいよう規範きはん,一個載有電流密度 黃色おうしょくてきたまきがたでんかん繪圖えず顯示けんじ其截めん),其內灰色はいいろてき磁場じば ふか藍色あいいろ不等ふとうあずかれい,其外あさ藍色あいいろてき磁場じばとうあずかれい。這環がたでんかんざい外部がいぶしょ生成せいせいてき磁向りょうぜい 紅色こうしょく不等ふとう於零,べにせんこし代表だいひょう磁向りょうぜいてき大小だいしょうえつきょうふか藍色あいいろえんてん表示ひょうじ磁場じばあさがい指出さしでしたがえ顯示けんじ屛幕指向しこう眼睛がんせい);ふか藍色あいいろごう表示ひょうじ磁場じばあさ內指いれしたがえ眼睛がんせい指向しこう顯示けんじ屛幕)。

せき於載りゅうにしせんかん周圍しゅういてき磁向りょういきおい繪圖えず,請參閱查·てき著作ちょさく[10]

ざいせい磁學うらやすつちかえ方程式ほうていしきため 。這與方程式ほうていしき 很相ぞうよし此,磁場じば ところ生成せいせいてき磁向りょうぜい てきせん,就好電流でんりゅう密度みつど ところ生成せいせいてき磁場じば せん所以ゆえんざい一圈磁通量周圍的磁向量勢的場線,おこりらい就好ざいいちけん電流でんりゅう周圍しゅういてき磁場じばせん

みぎ顯示けんじ磁向りょうぜい的場まとばせんべにせんこし代表だいひょう磁向りょういきおいこしつよしみちみちえつたん,磁向りょういきおいこしつよしただし磁向りょうぜいてき閉合みち積分せきぶんしょうどう)。

採用さいよう規範きはん磁場じばてきたび旋度分別ふんべつため

而磁むこうりょうぜいてきたび旋度分別ふんべつため

所以ゆえん以將 類比るいひ 。磁向りょうぜいてきげんあたま磁場じば,就如どう磁場じばてきげんあたま電流でんりゅう

歷史れきし

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むぎ·ほうひしげだいさいさき提出ていしゅつでん緊張きんちょうたいてき概念がいねんざい研究けんきゅう電磁でんじ感應かんおう理論りろん發現はつげんとうしょう物體ぶったいざい磁鐵ある電流でんりゅうてき附近ふきん物體ぶったいかい進入しんにゅういちしゅ狀態じょうたいかりわか擾這系統けいとうのりしょ於此狀態じょうたいてき物體ぶったいかい自發じはつ顯示けんじにんなん現象げんしょうただしいちとう系統けいとうゆうしょ變化へんかぞう磁鐵移動いどうりょうある電流でんりゅう增大ぞうだいりょうのり狀態じょうたい也會改變かいへんいん而產せい電流でんりゅうある趨向すうこうさんせい電流でんりゅうほうひしげだいしょう狀態じょうたいためでん緊張きんちょうたい」(electrontonic state)。ただし,這概念がいねんなみぼつゆう很明かく說明せつめい[11][12]

後來こうらいひらきなんじぶん男爵だんしゃく於1851ねん引入磁向りょうぜいてき概念がいねんなみ且給てい磁向りょういきおいあずか磁場じばあいだてき關係かんけい[11]

ざい論文ろんぶん論法ろんぽうひしげだいちからせんてき後半こうはん部分ぶぶんうまかつ開始かいし仔細しさい分析ぶんせきでん緊張きんちょうたいてき物理ぶつり性質せいしつきゅういちじょう重要じゅうよう定律ていりつ作用さよういち導體どうたいてき微小びしょう元素げんそてき電場でんじょう以由該微小びしょう元素げんそてきでん緊張きんちょうたいたい於時あいだてきしるべすうらいりょう[13]以現だい標記ひょうき表示ひょうじ,這方程式ほうていしきため

這是うまかつ學術がくじゅつ生涯しょうがいちゅうてきだいいち重要じゅうよう突破とっぱしょうほうひしげだいまとでん緊張きんちょうたいべん識為ひらきなんじぶん男爵だんしゃくてき磁向りょうぜいなみ且對於電緊張きんちょうたいきゅう嚴格げんかく定義ていぎ[11]

たい於電緊張きんちょうたいてき定義ていぎしき旋度,のりいたほうひしげだい感應かんおう方程式ほうていしき

うまかつたけしざいてき論文ろんぶんうら特別とくべつ提出ていしゅつひらきなんじぶん男爵だんしゃく於1851ねん發現はつげんてきせき於磁むこうりょうぜいてき數學すうがく性質せいしつ[14]:198-199そく任意にんい添加てんかいち函數かんすうてきはしごきゅう磁向りょうぜいかい改變かいへん磁向りょういきおいあずか磁場じばてき關係かんけいしきほうひしげだい感應かんおう方程式ほうていしき,這數がく性質せいしつ來演らいえんため現今げんこん規範きはん自由じゆうてき概念がいねん[11]

あい关条

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註釋ちゅうしゃく

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  1. ^ ざい帶電たいでん粒子りゅうしてきひしげかくろう力學りきがくうら正則せいそくどうりょうため
    其中,質量しつりょう速度そくど電荷でんか
    ざいぼう些狀きょう守恆もりつねてき,而是いん此,あずか兩個りゃんここう共同きょうどう貢獻こうけん正確せいかくてき守恆もりつねどうりょう
    ざい量子力學りょうしりきがくうら帶電たいでん粒子りゅうしてき薛丁かくかたほど使用しようてき基礎きそ物理ぶつりりょう磁向りょうぜい,而不磁場じば[3]

參考さんこう文獻ぶんけん

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  1. ^ くろ維塞, おくとしどる, On the self-induction of wires, Philosophy Magazine: 173, [1886], ... E and H, which have physical significance in really defining the state of the medium anywhere, which A and P do not. 
  2. ^ 赫兹, うみいんざとまれ, Electric waves: being researches on the propagation of electric action with finite velocity through space, Macmillan: pp.196, [1893], magnitudes which serve for calculation only 
  3. ^ 3.0 3.1 Semon, Mark; Taylor, John, Thoughts on the magnetic vector potential, Am. J. Phys., 1996, 64 (11): pp. 1361–1369, doi:10.1119/1.18400, vector potential can be seen as a stored momentum per unit charge in much the same way that electric potential is the stored energy per unit charge 
  4. ^ Aharonov, Y; Bohm, D, Significance of electromagnetic potentials in quantum theory, Physical Review, 1959, 115: 485–491, doi:10.1103/PhysRev.115.485 
  5. ^ Chambers, R. G., Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux, Physical Review Letters, 1960, 5 (1): pp. 3–5, doi:10.1103/PhysRevLett.5.3 
  6. ^ 曼, ; かみなりとみ, はく; やまとく, うまおさむ, 15, 曼物理學りがく講義こうぎ II (2) かいでんしつ、磁與感應かんおう定律ていりつ, 台灣たいわん: 天下てんか文化ぶんかしょ: pp. 162–175, 2006, ISBN 978-986-216-231-6, for a long time it was believed that A was not a "real" field. .... there are phenomena involving quantum mechanics which show that in fact A is a "real" field in the sense that we have defined it. ... E and B are slowly disappearing from the modern expression of physical laws; they are being replaced by A (the vector potential) and φふぁい(the scalar potential) 
  7. ^ Konopinski, E. J., What the electromagnetic vector potential describes, American Jounal of Physics, 1978, 46 (5): pp. 499–502 
  8. ^ Yang, ChenNing. The conceptual origins of Maxwell’s equations and gauge theory. Physics Today. 2014, 67 (11): 45–51. doi:10.1063/PT.3.2585. 
  9. ^ Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. 1998: pp. 422–428. ISBN 0-13-805326-X. 
  10. ^ 曼, ; かみなりとみ, はく; やまとく, うまおさむ, 曼物理學りがく講義こうぎ II (2) かいでんしつ、磁與感應かんおう定律ていりつ, 台灣たいわん: 天下てんか文化ぶんかしょ: pp. 167, 2008, ISBN 9789862162316 
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 11.3 Yang, ChenNing. The conceptual origins of Maxwell’s equations and gauge theory. Physics Today. 2014, 67 (11): 45–51. doi:10.1063/PT.3.2585. 
  12. ^ 術語じゅつございせん. 全国ぜんこく科学かがくわざ术名词审じょう员会. (原始げんし内容ないようそん于2018-12-02). electrontonic 
  13. ^ Whittaker 1951だい272-273ぺーじ
  14. ^ うまかつ, 詹姆斯, 8, Nivin, William (编), The scientific papers of James Clerk Maxwell 1, New York: Doer Publications, 1890 

参考さんこう书目

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外部がいぶ連結れんけつ

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