提示 ていじ :此条
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主 ぬし 题不
是 ぜ 磁标势 。
磁矢势 ,又 また 稱 たたえ 磁位 、磁勢 (Magnetic vector potential ),通常 つうじょう 標記 ひょうき 為 ため
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
。磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 旋度 是 これ 磁場 じば ,以方程式 ほうていしき 表示 ひょうじ
B
=
∇
×
A
{\displaystyle \mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} }
;
其中,
B
{\displaystyle \mathbf {B} }
是 これ 磁場 じば 。
直觀 ちょっかん 而言,磁向量 りょう 勢 いきおい 似 に 乎不及磁場 じょう 來 らい 得 え 「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。在 ざい 電磁 でんじ 學 がく 發展 はってん 初期 しょき ,很多學者 がくしゃ 認 みとめ 為 ため 磁向量 りょう 勢 ぜい 對 たい 於給定 てい 介 かい 質 しつ 狀態 じょうたい 並 なみ 沒 ぼつ 有 ゆう 實際 じっさい 物理 ぶつり 意義 いぎ [ 1] ,除 じょ 了 りょう 方便 ほうべん 計算 けいさん 以外 いがい ,別 べつ 無 む 其它用途 ようと [ 2] 。但 ただし 是 ぜ ,詹姆斯·馬 うま 克 かつ 士 し 威 たけし 頗不以為然 しか ,他 た 認 みとめ 為 ため 磁向量 りょう 勢 いきおい 可 か 以詮釋 しゃく 為 ため 「每 まい 單位 たんい 電荷 でんか 儲 もうか 存 そん 的 てき 動 どう 量 りょう 」,就好像 ぞう 電 でん 勢 ぜい 被 ひ 詮 かい 釋 しゃく 為 ため 「每 まい 單位 たんい 電荷 でんか 儲 もうか 存 そん 的 てき 能 のう 量 りょう 」[ 3] 。相關 そうかん 論述 ろんじゅつ ,稍 やや 後 のち 會 かい 有 ゆう 更 さら 詳 しょう 盡 つき 解釋 かいしゃく 。
磁向量 りょう 勢 いきおい 並 なみ 不 ふ 是 ぜ 唯一 ゆいいつ 定義 ていぎ 的 てき ;其數值是相對 そうたい 的 てき ,相對 そうたい 於某設定 せってい 數 すう 值。因 よし 此,學者 がくしゃ 會 かい 疑問 ぎもん 到底 とうてい 儲 もうか 存 そん 了 りょう 多少 たしょう 動 どう 量 りょう ?不 ふ 論 ろん 如何 いか ,磁向量 りょう 勢 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 。尤 ゆう 其是在 ざい 量子力學 りょうしりきがく 裏 うら ,於1959年 ねん ,阿 おもね 哈諾夫 おっと -波 は 姆效應 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、零 れい 磁場 じば 、非 ひ 零 れい 磁向量 りょう 勢 ぜい 場 じょう 區域 くいき ,則 のり 此帶電 たいでん 粒子 りゅうし 的 てき 波 なみ 函數 かんすう 相 そう 位 い 會 かい 有 ゆう 所 しょ 改變 かいへん ,因 いん 而導致可觀測 かんそく 到 いた 的 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 越 えつ 多 た 學者 がくしゃ 認 みとめ 為 ため 電 でん 勢和 せいわ 磁向量 りょう 勢 ぜい 比 ひ 電場 でんじょう 和 わ 磁場 じば 更 さら 基本 きほん [ 6] 。不 ふ 單 たん 如此,有 ゆう 學者 がくしゃ 認 みとめ 為 ため ,甚至在 ざい 經典 きょうてん 電磁 でんじ 學 がく 裏 うら ,磁向量 りょう 勢 いきおい 也具有明 ありあけ 確 かく 的 てき 意義 いぎ 和 わ 直接的 ちょくせつてき 測量 そくりょう 值[ 7] 。
磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 電 でん 勢 ぜい 可 か 以共同 きょうどう 用 よう 來 らい 設定 せってい 電場 でんじょう 與 あずか 磁場 じば 。許多 きょた 電磁 でんじ 學 がく 的 てき 方程式 ほうていしき 可 か 以以電場 でんじょう 與 あずか 磁場 じば 寫 うつし 出 で ,或 ある 者 もの 以磁向 むこう 量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 電 でん 勢 いきおい 寫 うつし 出 で 。較高深 ふか 的 てき 理論 りろん ,像 ぞう 量子力學 りょうしりきがく 理論 りろん ,偏 へん 好 こう 使用 しよう 的 てき 是 ぜ 磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 電 でん 勢 ぜい ,而不是 ぜ 電場 でんじょう 與 あずか 磁場 じば 。因 よし 為 ため ,在 ざい 這些學術 がくじゅつ 領域 りょういき 裏 うら 所 しょ 使用 しよう 的 てき 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 量 りょう 或 ある 哈密頓 ひたぶる 量 りょう ,都 みやこ 是 ただし 以磁向 むこう 量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 電 でん 勢 ぜい 表 ひょう 達 たち ,而不是 ぜ 以電場 じょう 與 あずか 磁場 じば 表 ひょう 達 たち 。
開 ひらき 爾 なんじ 文 ぶん 男爵 だんしゃく 最 さい 先 さき 於1851年 ねん 引入磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 概念 がいねん ,並 なみ 且給定 てい 磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 磁場 じば 之 の 間 あいだ 的 てき 關係 かんけい 。[ 8]
根據 こんきょ 高 こう 斯磁定律 ていりつ ,磁場 じば 是 ぜ 螺 にし 線 せん 向 むこう 量 りょう 場 じょう ;在 ざい 空間 くうかん 裏 うら 任意 にんい 位置 いち ,磁場 じば 的 てき 散 ち 度 たび 等 とう 於零:
∇
⋅
B
=
0
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}
。
那 な 麼,根據 こんきょ 亥 い 姆霍兹定理 ていり (Helmholtz theorem ) ,必定 ひつじょう 存在 そんざい 一 いち 個 こ 極 ごく 向 こう 量 りょう 場 じょう (poloidal vector field )
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
,滿足 まんぞく 方程式 ほうていしき
B
=
∇
×
A
{\displaystyle \mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} }
。(1)
因 いん 此,假設 かせつ
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
在 ざい 所有 しょゆう 位置 いち 都 と 是 ぜ 連續 れんぞく 性 せい 的 てき 、良好 りょうこう 定義 ていぎ 的 てき ,則 のり 磁單極 きょく 子 こ 絕對 ぜったい 不 ふ 存在 そんざい 。
又 また 根據 こんきょ 安 やす 培 つちかえ 定律 ていりつ ,
∇
×
B
=
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} }
;
其中,
μ みゅー
0
{\displaystyle \mu _{0}}
是 これ 磁常數 すう ,
J
{\displaystyle \mathbf {J} }
是 これ 電流 でんりゅう 密度 みつど 。
應用 おうよう 一 いち 則 のり 向 むかい 量 りょう 恆等 こうとう 式 しき ,再 さい 採用 さいよう 庫 くら 侖規範 きはん (Coulomb gauge ),
∇
⋅
A
=
0
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {A} =0}
,可 か 以得到 いた
∇
×
B
=
∇
×
(
∇
×
A
)
=
∇
(
∇
⋅
A
)
−
∇
2
A
=
−
∇
2
A
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\nabla \times (\nabla \times \mathbf {A} )=\nabla (\nabla \cdot \mathbf {A} )-\nabla ^{2}\mathbf {A} =-\nabla ^{2}\mathbf {A} }
。
所以 ゆえん ,從 したがえ 安 やす 培 つちかえ 定律 ていりつ 可 か 以推導出 どうしゅつ 電流 でんりゅう 的 てき 帕松方程式 ほうていしき :
∇
2
A
=
−
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {A} =-\mu _{0}\mathbf {J} }
。
這帕松 まつ 方程式 ほうていしき 的 てき 解 かい 為 ため
A
(
r
)
=
μ みゅー
0
4
π ぱい
∭
V
′
J
(
r
′
)
|
r
−
r
′
|
d
3
r
′
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} )=\ {\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\iiint _{\mathbb {V} '}{\frac {\mathbf {J} (\mathbf {r} ')}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\,d^{3}\mathbf {r} '}
;
其中,
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
是 ぜ 場 じょう 位置 いち ,
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '}
是 ぜ 源 げん 位置 いち ,
V
′
{\displaystyle \mathbb {V} '}
是 ぜ 體積 たいせき 分 ぶん 的 てき 空間 くうかん ,
d
3
r
′
{\displaystyle d^{3}\mathbf {r} '}
是 ぜ 微小 びしょう 體 たい 元素 げんそ 。
根據 こんきょ 法 ほう 拉 ひしげ 第 だい 感應 かんおう 定律 ていりつ ,
∇
×
E
=
−
∂
B
∂
t
=
−
∂
∂
t
(
∇
×
A
)
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=-{\frac {\partial }{\partial t}}(\nabla \times \mathbf {A} )}
;
其中,
E
{\displaystyle \mathbf {E} }
是 これ 電場 でんじょう 。
重 じゅう 新編 しんぺん 排 はい ,
∇
×
(
E
+
∂
A
∂
t
)
=
0
{\displaystyle \nabla \times \left(\mathbf {E} +{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}\right)=0}
。
所以 ゆえん ,在 ざい 圓 えん 括弧 かっこ 內的表 ひょう 達 たち 式 しき 具有 ぐゆう 保守 ほしゅ 性 せい ,是 ぜ 某 ぼう 函數 かんすう
ϕ
{\displaystyle \phi }
的 てき 梯 はしご 度 ど :
E
+
∂
A
∂
t
=
−
∇
ϕ
{\displaystyle \mathbf {E} +{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}=-\nabla \phi }
。
設定 せってい
ϕ
{\displaystyle \phi }
為 ため 電 でん 勢 ぜい ,重 じゅう 新編 しんぺん 排 はい ,可 か 以得到 いた 電場 でんじょう 、電 でん 勢 ぜい 、磁向量 りょう 勢 いきおい 這三者 しゃ 之 の 間 あいだ 的 てき 關係 かんけい 式 しき :
E
=
−
∇
ϕ
−
∂
A
∂
t
{\displaystyle \mathbf {E} =-\nabla \phi -{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}}
。(2)
在 ざい 電動 でんどう 力學 りきがく 和 わ 量子力學 りょうしりきがく 裏 うら ,採用 さいよう 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 表 ひょう 述 じゅつ ,拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 量 りょう 會 かい 用 よう 到 いた 磁向量 りょう 勢 ぜい
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
。[ 註 1] 更 さら 詳 しょう 盡 つき 細 ぼそ 節 ふし ,請參閱包 つつみ 立 りつ 方程式 ほうていしき 、拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 量 りょう 。
採用 さいよう 國際 こくさい 標準 ひょうじゅん 制 せい ,磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 單位 たんい 為 ため 伏 ふく 特 とく ·秒 びょう /公 おおやけ 尺 じゃく (volt·second·meter−1 )。
在 ざい 電動 でんどう 力學 りきがく 的 てき 上下 じょうげ 文 ぶん 裏 うら ,術語 じゅつご 向 こう 量 りょう 勢 ぜい 和 わ 純量 じゅんりょう 勢 ぜい 分別 ふんべつ 指 ゆび 的 てき 是 ぜ 磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 電 でん 勢 ぜい 。在 ざい 數學 すうがく 裏 うら ,這兩個 りゃんこ 術語 じゅつご 有 ゆう 更 さら 廣義 こうぎ 的 てき 意義 いぎ 。
上述 じょうじゅつ 定義 ていぎ 並 なみ 不能 ふのう 唯 ただ 一地設定磁向量勢,因 いん 為 ため ,添加 てんか 任意 にんい 無 む 旋矢量 りょう
∇
λ らむだ
{\displaystyle \nabla \lambda }
於磁矢 や 量 りょう ,不 ふ 會 かい 改變 かいへん 磁場 じば :
B
=
∇
×
A
=
∇
×
(
A
+
∇
λ らむだ
)
{\displaystyle \mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} =\nabla \times (\mathbf {A} +\nabla \lambda )}
。
因 いん 此,磁向量 りょう 勢 ぜい 有 ゆう 一 いち 個 こ 選擇 せんたく 的 てき 自由 じゆう 度 ど 。這狀況 きょう 稱 たたえ 為 ため 規範 きはん 不變 ふへん 性 せい 。
採用 さいよう 庫 こ 侖規範 きはん 的 てき 馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 方 かた 程 ほど 組 ぐみ [ 编辑 ]
根據 こんきょ 高 こう 斯定律 ていりつ ,
∇
⋅
E
=
ρ ろー
/
ϵ
0
{\displaystyle \nabla \cdot {\textbf {E}}=\rho /\epsilon _{0}}
;
其中,
ϵ
0
{\displaystyle \epsilon _{0}}
是 これ 電 でん 常數 じょうすう 。
將 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 庫 こ 侖規範 きはん ,
∇
⋅
A
=
0
{\displaystyle \nabla \cdot {\textbf {A}}=0}
,可 か 以得到 いた
∇
⋅
E
=
−
∇
2
ϕ
−
∂
(
∇
⋅
A
)
∂
t
=
−
∇
2
ϕ
{\displaystyle \nabla \cdot {\textbf {E}}=-\nabla ^{2}\phi -{\frac {\partial (\nabla \cdot \mathbf {A} )}{\partial t}}=-\nabla ^{2}\phi }
。
根據 こんきょ 馬 うま 克 かつ 士 し 威 たけし -安 やす 培 つちかえ 定律 ていりつ ,
∇
×
B
=
μ みゅー
0
J
+
μ みゅー
0
ϵ
0
∂
E
∂
t
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}
。
將 はた 方程式 ほうていしき (1)、(2)代入 だいにゅう ,可 か 以得到 いた
∇
×
(
∇
×
A
)
=
μ みゅー
0
J
−
μ みゅー
0
ϵ
0
[
∇
(
∂
ϕ
∂
t
)
+
∂
2
A
∂
t
2
]
{\displaystyle \nabla \times (\nabla \times \mathbf {A} )=\mu _{0}\mathbf {J} -\mu _{0}\epsilon _{0}\left[\nabla \left({\frac {\partial \phi }{\partial t}}\right)+{\frac {\partial ^{2}\mathbf {A} }{\partial t^{2}}}\right]}
。
所以 ゆえん ,馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 可 か 以寫為 ため
∇
2
ϕ
=
−
ρ ろー
/
ϵ
0
{\displaystyle \nabla ^{2}\phi =-\rho /\epsilon _{0}}
、
∇
2
A
−
μ みゅー
0
ϵ
0
∂
2
A
∂
t
2
=
−
μ みゅー
0
J
+
μ みゅー
0
ϵ
0
∇
(
∂
ϕ
∂
t
)
{\displaystyle \nabla ^{2}{\textbf {A}}-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}}}=-\mu _{0}{\textbf {J}}+\mu _{0}\epsilon _{0}\nabla \left({\frac {\partial \phi }{\partial t}}\right)}
。
庫 くら 侖規範 きはん 的 てき 優 ゆう 點 てん 是 ぜ ,很容易 ようい 就可以計算出 さんしゅつ 電 でん 勢 ぜい ,但 ただし 計算 けいさん 磁向量 りょう 勢 ぜい 比較 ひかく 困難 こんなん 。
採用 さいよう 勞 ろう 侖次規範 きはん 的 てき 馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 方 かた 程 ほど 組 ぐみ [ 编辑 ]
採用 さいよう 勞 ろう 侖次規範 きはん ,
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
必須 ひっす 滿足 まんぞく 條件 じょうけん
∇
⋅
A
+
μ みゅー
0
ϵ
0
∂
ϕ
∂
t
=
0
{\displaystyle \nabla \cdot {\textbf {A}}+\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial \phi }{\partial t}}=0}
。
這規範 きはん 的 てき 優 ゆう 點 てん 是 ぜ 馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 可 か 以更簡易 かんい 對稱 たいしょう 地 ち 寫 うつし 為 ため
∇
2
ϕ
−
μ みゅー
0
ϵ
0
∂
2
ϕ
∂
t
2
=
−
ρ ろー
/
ϵ
0
{\displaystyle \nabla ^{2}\phi -\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\phi }{\partial t^{2}}}=-\rho /\epsilon _{0}}
、
∇
2
A
−
μ みゅー
0
ϵ
0
∂
2
A
∂
t
2
=
−
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \nabla ^{2}{\textbf {A}}-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}}}=-\mu _{0}{\textbf {J}}}
。
以達朗 たつろう 貝 かい 爾 なんじ 算 さん 符 ふ
◻
=
d
e
f
∇
2
−
μ みゅー
0
ϵ
0
∂
2
∂
t
2
{\displaystyle \Box \ {\stackrel {def}{=}}\ \nabla ^{2}-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}}
來 らい 表示 ひょうじ ,
◻
ϕ
=
−
ρ ろー
/
ϵ
0
{\displaystyle \Box \phi =-\rho /\epsilon _{0}}
、
◻
A
=
−
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \Box {\textbf {A}}=-\mu _{0}{\textbf {J}}}
。
注意 ちゅうい 到 いた 這兩個 りゃんこ 方程式 ほうていしき 的 てき 形式 けいしき 為 ため 非 ひ 齊 ひとし 次 じ 波動 はどう 方程式 ほうていしき ,源 みなもと 項目 こうもく
−
ρ ろー
/
ϵ
0
{\displaystyle -\rho /\epsilon _{0}}
、
−
μ みゅー
0
J
{\displaystyle -\mu _{0}{\textbf {J}}}
在 ざい 方程式 ほうていしき 右手 みぎて 邊 べ 。這方程 ほど 組 ぐみ 特別 とくべつ 適用 てきよう 於描述 じゅつ 電磁波 でんじは 的 てき 物理 ぶつり 行為 こうい 。
在 ざい 解析 かいせき 狹義 きょうぎ 相對 そうたい 論 ろん 問題 もんだい 時 じ ,很自然 しぜん 而然地 ち 會 かい 將 はた 磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 電 でん 勢 ぜい 連結 れんけつ 在 ざい 一起 かずき ,成 なり 為 ため 電磁 でんじ 四 よん 維勢。這樣做法主要 しゅよう 基 もと 於三 さん 個 こ 動機 どうき :
第 だい 一 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 四 よん 維向量 りょう 變換 へんかん 規則 きそく ,假 かり 若 わか 知道 ともみち 在 ざい 某 ぼう 慣性 かんせい 參考 さんこう 系 けい 的 てき 電磁 でんじ 四 よん 維勢,很容易 ようい 就可以計算出 さんしゅつ 在 ざい 其它慣性 かんせい 參考 さんこう 系 けい 的 てき 數 すう 值。
第 だい 二 に 、经典电磁学 がく 的 てき 內容可 か 以更簡要、更 さら 便利 べんり 地 ち 以電磁 でんじ 四 よん 維勢表 ひょう 達 たち ,特別 とくべつ 是 ぜ 當 とう 採用 さいよう 勞 ろう 侖次規範 きはん 時 とき 。
第 だい 三 さん 、電磁 でんじ 四 よん 維勢在 ざい 量子 りょうし 電動 でんどう 力學 りきがく 裏 うら 佔有重要 じゅうよう 的 てき 角 かく 色 しょく 。
電磁 でんじ 四 よん 維勢定義 ていぎ 為 ため
A
α あるふぁ
=
d
e
f
(
ϕ
/
c
,
A
)
{\displaystyle A^{\alpha }\ {\stackrel {def}{=}}\ (\phi /c,\,\mathbf {A} )}
。
勞 ろう 侖次規範 きはん 以抽象 ちゅうしょう 指 ゆび 标记号 ごう 表示 ひょうじ 為 ため
∂
α あるふぁ
A
α あるふぁ
=
0
{\displaystyle \partial _{\alpha }A^{\alpha }=0}
;
其中,
∂
α あるふぁ
=
d
e
f
∂
∂
x
α あるふぁ
=
d
e
f
(
∂
c
∂
t
,
∂
∂
x
1
,
∂
∂
x
2
,
∂
∂
x
3
)
{\displaystyle \partial _{\alpha }\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {\partial }{\partial x^{\alpha }}}\ {\stackrel {def}{=}}\ \left({\frac {\partial }{c\partial t}},{\frac {\partial }{\partial x^{1}}},{\frac {\partial }{\partial x^{2}}},{\frac {\partial }{\partial x^{3}}}\right)}
是 ぜ 對 たい 於反 はん 變 へん 矢 や 量 りょう 的 てき 偏 へん 微分 びぶん 。
馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 方 かた 程 ほど 組 ぐみ 寫 うつし 為 ため
◻
A
α あるふぁ
=
−
μ みゅー
0
J
α あるふぁ
{\displaystyle \Box A^{\alpha }=-\mu _{0}J^{\alpha }}
;
其中,
J
α あるふぁ
=
d
e
f
(
ρ ろー
c
,
j
)
{\displaystyle J^{\alpha }\ {\stackrel {def}{=}}\ (\rho c,\,\mathbf {j} )}
是 これ 四 よん 維電流 りゅう 密度 みつど 。
前 ぜん 面談 めんだん 到 いた 電 でん 勢和 せいわ 磁向量 りょう 勢 ぜい 分別 ふんべつ 詮 かい 釋 しゃく 為 ため 每 ごと 單位 たんい 電荷 でんか 儲 もうか 存 そん 能 のう 量 りょう 和 わ 每 ごと 單位 たんい 電荷 でんか 儲 もうか 存 そん 動 どう 量 りょう 。這可以從它們的 てき 四 よん 維矢量 りょう 觀察 かんさつ 出來 でき 。思考 しこう 四 よん 維動量 りょう ,它是由 ゆかり 能 のう 量 りょう
E
{\displaystyle E}
與 あずか 動 どう 量 りょう
p
{\displaystyle \mathbf {p} }
共同 きょうどう 組成 そせい 的 てき 四 よん 維矢量 りょう :
P
α あるふぁ
=
(
E
c
,
p
)
{\displaystyle P^{\alpha }=\left({\frac {E}{c}},\,\mathbf {p} \right)}
。
改變 かいへん 觀測 かんそく 的 てき 參考 さんこう 系 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。假 かり 若 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,那 な 麼,電磁 でんじ 四 よん 維勢的 てき 磁向量 りょう 勢 いきおい 應 おう 該也有 ゆう 足 あし 夠的理由 りゆう 詮 かい 釋 しゃく 為 ため 每 ごと 單位 たんい 電荷 でんか 儲 もうか 存 そん 動 どう 量 りょう 。
從 したがえ 源 げん 分 ぶん 佈計算 けいさん 位 い 勢 ぜい [ 编辑 ]
給 きゅう 予 よ 在 ざい 源 みなもと 位置 いち
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '}
的 てき 含時電荷 でんか 分 ぶん 佈或含時電流 でんりゅう 分 ぶん 佈,計算 けいさん 在 ざい 場 じょう 位置 いち
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
產 さん 生 せい 的 てき 推遲勢 ぜい 。
對 たい 於靜態 せいたい 的 てき 電荷 でんか 分 ぶん 佈和電流 でんりゅう 分 ぶん 佈,電 でん 勢 ぜい
ϕ
(
r
)
{\displaystyle \phi (\mathbf {r} )}
和 わ 磁向量 りょう 勢 ぜい
A
(
r
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} )}
分別 ふんべつ 定義 ていぎ 為 ため
ϕ
(
r
)
=
d
e
f
1
4
π ぱい
ϵ
0
∫
V
′
ρ ろー
(
r
′
)
|
r
−
r
′
|
d
3
r
′
{\displaystyle \phi (\mathbf {r} )\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {V} '}{\frac {\rho (\mathbf {r} ')}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\,d^{3}\mathbf {r} '}
、
A
(
r
)
=
d
e
f
μ みゅー
0
4
π ぱい
∫
V
′
J
(
r
′
)
|
r
−
r
′
|
d
3
r
′
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} )\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\int _{\mathbb {V} '}{\frac {\mathbf {J} (\mathbf {r} ')}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\,d^{3}\mathbf {r} '}
;
其中,
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
是 ぜ 場 じょう 位置 いち ,
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '}
是 ぜ 源 げん 位置 いち 。
在 ざい 電動 でんどう 力學 りきがく 裏 うら ,這兩個 りゃんこ 方程式 ほうていしき 必須 ひっす 加 か 以延伸 えんしん ,才能 さいのう 正確 せいかく 地 ち 響 ひびき 應 おう 含時電流 でんりゅう 分 ぶん 佈或含時電荷 でんか 分 ぶん 佈。定義 ていぎ 推遲時間 じかん
t
r
{\displaystyle t_{r}}
為 ため 檢 けん 驗 けん 時間 じかん
t
{\displaystyle t}
減 へ 去 ざ 電磁波 でんじは 傳播 でんぱ 的 てき 時間 じかん :
t
r
=
d
e
f
t
−
|
r
−
r
′
|
c
{\displaystyle t_{r}\ {\stackrel {def}{=}}\ t-{\frac {|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}{c}}}
;
其中,
c
{\displaystyle c}
是 これ 光速 こうそく 。
假設 かせつ ,從 したがえ 源 げん 位置 いち
r
′
{\displaystyle \mathbf {r} '}
往場位置 いち
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
發射 はっしゃ 出 で 一 いち 束 たば 電磁波 でんじは ,而這束 たば 電磁波 でんじは 在 ざい 檢 けん 驗 けん 時間 じかん
t
{\displaystyle t}
抵達觀測 かんそく 者 しゃ 的場 まとば 位置 いち
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
,則 のり 這束電磁波 でんじは 發射 はっしゃ 的 てき 時間 じかん 是 ぜ 推遲時間 じかん
t
r
{\displaystyle t_{r}}
。由 よし 於電磁波 でんじは 傳播 でんぱ 於真空 しんくう 的 てき 速度 そくど 是 ぜ 有限 ゆうげん 的 てき ,觀測 かんそく 者 しゃ 檢 けん 驗 けん 到 いた 電磁波 でんじは 的 てき 檢 けん 驗 けん 時間 じかん
t
{\displaystyle t}
,會 かい 不同 ふどう 於這電磁波 でんじは 發射 はっしゃ 的 てき 推遲時間 じかん
t
r
{\displaystyle t_{r}}
。
推遲純量 じゅんりょう 勢 ぜい
ϕ
(
r
,
t
)
{\displaystyle \phi (\mathbf {r} ,\,t)}
與 あずか 推遲向 むこう 量 りょう 勢 ぜい
A
(
r
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)}
分別 ふんべつ 用 よう 方程式 ほうていしき 定義 ていぎ 為 ため
ϕ
(
r
,
t
)
=
d
e
f
1
4
π ぱい
ϵ
0
∫
V
′
ρ ろー
(
r
′
,
t
r
)
|
r
−
r
′
|
d
3
r
′
{\displaystyle \phi (\mathbf {r} ,\,t)\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {V} '}{\frac {\rho (\mathbf {r} ',\,t_{r})}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\,d^{3}\mathbf {r} '}
、
A
(
r
,
t
)
=
d
e
f
μ みゅー
0
4
π ぱい
∫
V
′
J
(
r
′
,
t
r
)
|
r
−
r
′
|
d
3
r
′
{\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} ,\,t)\ {\stackrel {def}{=}}\ {\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\int _{\mathbb {V} '}{\frac {\mathbf {J} (\mathbf {r} ',\,t_{r})}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\,d^{3}\mathbf {r} '}
。
請注意 ちゅうい ,在 ざい 這兩個 りゃんこ 含時方程式 ほうていしき 內,源 みなもと 電荷 でんか 密度 みつど 和 わ 源 げん 電流 でんりゅう 密度 みつど 都 と 跟推遲 おそ 時間 じかん
t
r
{\displaystyle t_{r}}
有 ゆう 關 せき ,而不是 ぜ 與 あずか 時間 じかん 無關 むせき 。
這兩個 りゃんこ 含時方程式 ほうていしき ,是 ぜ 用 よう 推理 すいり 得 え 到 いた 的 てき 啟發 けいはつ 式 しき ,而不是 ぜ 用 よう 任 にん 何 なに 定律 ていりつ 或 ある 公理 こうり 推導出來 でき 的 てき 。由 よし 於訊號 ごう 以光速 そく 傳播 でんぱ ,從 したがえ 源 げん 位置 いち 到 いた 場 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 在 ざい 時間 じかん
t
{\displaystyle t}
的 てき 推遲勢 ぜい 必定 ひつじょう 是 ぜ 由 ゆかり 在 ざい 推遲時間 じかん
t
r
{\displaystyle t_{r}}
的 まと 源 げん 電荷 でんか 密度 みつど 或 ある 源 みなもと 電流 でんりゅう 密度 みつど 產 さん 生 せい 的 てき 。為 ため 了 りょう 要 よう 肯定 こうてい 這兩個 りゃんこ 方程式 ほうていしき 的 てき 正確 せいかく 性 せい 與 あずか 合理 ごうり 性 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 非 ひ 齊 ひとし 次 じ 的 てき 電磁波 でんじは 方程式 ほうていしき [ 9] 。
採用 さいよう 庫 こ 侖規範 きはん ,一個載有電流密度
J
{\displaystyle \mathbf {J} }
(黃色 おうしょく )的 てき 環 たまき 形 がた 電 でん 感 かん 器 き (繪圖 えず 顯示 けんじ 出 で 其截面 めん ),其內部 ぶ (灰色 はいいろ )的 てき 磁場 じば
B
{\displaystyle \mathbf {B} }
(深 ふか 藍色 あいいろ )不等 ふとう 與 あずか 零 れい ,其外部 ぶ (淺 あさ 藍色 あいいろ )的 てき 磁場 じば 等 とう 與 あずか 零 れい 。這環形 がた 電 でん 感 かん 器 き 在 ざい 外部 がいぶ 所 しょ 生成 せいせい 的 てき 磁向量 りょう 勢 ぜい
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
(紅色 こうしょく )不等 ふとう 於零,紅 べに 線 せん 越 こし 粗 そ 代表 だいひょう 磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 大小 だいしょう 越 えつ 強 きょう 。深 ふか 藍色 あいいろ 圓 えん 點 てん 表示 ひょうじ 磁場 じば 朝 あさ 外 がい 指出 さしで (從 したがえ 顯示 けんじ 屛幕指向 しこう 眼睛 がんせい );深 ふか 藍色 あいいろ 加 か 號 ごう 表示 ひょうじ 磁場 じば 朝 あさ 內指入 いれ (從 したがえ 眼睛 がんせい 指向 しこう 顯示 けんじ 屛幕)。
關 せき 於載流 りゅう 螺 にし 線 せん 管 かん 周圍 しゅうい 的 てき 磁向量 りょう 勢 いきおい 繪圖 えず ,請參閱理 り 查·費 ひ 曼的 てき 著作 ちょさく [ 10] 。
在 ざい 靜 せい 磁學裏 うら ,安 やす 培 つちかえ 方程式 ほうていしき 為 ため
∇
×
B
=
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} }
。這與方程式 ほうていしき
∇
×
A
=
B
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {A} =\mathbf {B} \ }
很相像 ぞう 。因 よし 此,磁場 じば
B
{\displaystyle \mathbf {B} }
所 ところ 生成 せいせい 的 てき 磁向量 りょう 勢 ぜい
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
的 てき 場 ば 線 せん ,就好似 に 電流 でんりゅう 密度 みつど
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \mu _{0}\mathbf {J} }
所 ところ 生成 せいせい 的 てき 磁場 じば
B
{\displaystyle \mathbf {B} }
場 ば 線 せん ,所以 ゆえん ,在 ざい 一圈磁通量周圍的磁向量勢的場線,看 み 起 おこり 來 らい 就好似 に 在 ざい 一 いち 圈 けん 電流 でんりゅう 周圍 しゅうい 的 てき 磁場 じば 線 せん 。
右 みぎ 圖 ず 顯示 けんじ 出 で 磁向量 りょう 勢 ぜい 的場 まとば 線 せん 。紅 べに 線 せん 越 こし 粗 そ 代表 だいひょう 磁向量 りょう 勢 いきおい 越 こし 強 つよし (路 みち 徑 みち 越 えつ 短 たん ,磁向量 りょう 勢 いきおい 越 こし 強 つよし ,但 ただし 是 ぜ 磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 閉合路 ろ 徑 みち 積分 せきぶん 相 しょう 同 どう )。
採用 さいよう 庫 こ 侖規範 きはん ,磁場 じば 的 てき 散 ち 度 たび 和 わ 旋度分別 ふんべつ 為 ため
∇
⋅
B
=
0
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}
、
∇
×
B
=
μ みゅー
0
J
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} }
;
而磁向 むこう 量 りょう 勢 ぜい 的 てき 散 ち 度 たび 和 わ 旋度分別 ふんべつ 為 ため
∇
⋅
A
=
0
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {A} =0}
、
∇
×
A
=
B
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {A} =\mathbf {B} }
。
所以 ゆえん ,可 か 以將
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
類比 るいひ 於
B
{\displaystyle \mathbf {B} }
。磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 源 げん 頭 あたま 是 ぜ 磁場 じば ,就如同 どう 磁場 じば 的 てき 源 げん 頭 あたま 是 ぜ 電流 でんりゅう 。
麥 むぎ 可 か ·法 ほう 拉 ひしげ 第 だい 最 さい 先 さき 提出 ていしゅつ 電 でん 緊張 きんちょう 態 たい 的 てき 概念 がいねん 。在 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 時 じ ,他 た 發現 はつげん 當 とう 將 しょう 物體 ぶったい 放 ひ 在 ざい 磁鐵或 ある 電流 でんりゅう 的 てき 附近 ふきん 時 じ ,物體 ぶったい 會 かい 進入 しんにゅう 一 いち 種 しゅ 狀態 じょうたい 。假 かり 若 わか 不 ふ 打 だ 擾這系統 けいとう ,則 のり 處 しょ 於此狀態 じょうたい 的 てき 物體 ぶったい 不 ふ 會 かい 自發 じはつ 地 ち 顯示 けんじ 出 で 任 にん 何 なん 現象 げんしょう 。但 ただし 是 ぜ ,一 いち 當 とう 系統 けいとう 有 ゆう 所 しょ 變化 へんか ,像 ぞう 磁鐵被 ひ 移動 いどう 了 りょう ,或 ある 電流 でんりゅう 被 ひ 增大 ぞうだい 了 りょう ,則 のり 這狀態 じょうたい 也會改變 かいへん ,因 いん 而產生 せい 電流 でんりゅう 或 ある 趨向 すうこう 產 さん 生 せい 電流 でんりゅう 。法 ほう 拉 ひしげ 第 だい 稱 しょう 此狀態 じょうたい 為 ため 「電 でん 緊張 きんちょう 態 たい 」(electrontonic state)。但 ただし 是 ぜ ,這概念 がいねん 並 なみ 沒 ぼつ 有 ゆう 被 ひ 很明確 かく 地 ち 說明 せつめい 。[ 11] [ 12]
後來 こうらい ,開 ひらき 爾 なんじ 文 ぶん 男爵 だんしゃく 於1851年 ねん 引入磁向量 りょう 勢 ぜい 的 てき 概念 がいねん ,並 なみ 且給定 てい 磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 磁場 じば 之 の 間 あいだ 的 てき 關係 かんけい :[ 11]
B
=
∇
×
A
{\displaystyle \mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A} }
。
在 ざい 論文 ろんぶん 《論法 ろんぽう 拉 ひしげ 第 だい 力 ちから 線 せん 》的 てき 後半 こうはん 部分 ぶぶん ,馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 開始 かいし 仔細 しさい 分析 ぶんせき 電 でん 緊張 きんちょう 態 たい 的 てき 物理 ぶつり 性質 せいしつ 。他 た 給 きゅう 出 で 一 いち 條 じょう 重要 じゅうよう 定律 ていりつ :作用 さよう 於一 いち 個 こ 導體 どうたい 的 てき 微小 びしょう 元素 げんそ 的 てき 電場 でんじょう ,可 か 以由該微小 びしょう 元素 げんそ 的 てき 電 でん 緊張 きんちょう 態 たい 對 たい 於時間 あいだ 的 てき 導 しるべ 數 すう 來 らい 量 りょう 度 ど 。[ 13] 以現代 だい 標記 ひょうき 表示 ひょうじ ,這方程式 ほうていしき 為 ため
E
=
−
A
˙
{\displaystyle \mathbf {E} =-{\dot {\mathbf {A} }}}
。
這是馬 うま 克 かつ 士 し 威 い 學術 がくじゅつ 生涯 しょうがい 中 ちゅう 的 てき 第 だい 一 いち 個 こ 重要 じゅうよう 突破 とっぱ ,他 た 將 しょう 法 ほう 拉 ひしげ 第 だい 的 まと 電 でん 緊張 きんちょう 態 たい 辨 べん 識為開 ひらき 爾 なんじ 文 ぶん 男爵 だんしゃく 的 てき 磁向量 りょう 勢 ぜい ,並 なみ 且對於電緊張 きんちょう 態 たい 給 きゅう 出 で 嚴格 げんかく 定義 ていぎ 。[ 11]
對 たい 於電緊張 きんちょう 態 たい 的 てき 定義 ていぎ 式 しき 取 と 旋度,則 のり 可 か 得 え 到 いた 法 ほう 拉 ひしげ 第 だい 感應 かんおう 方程式 ほうていしき :
∇
×
E
=
−
B
˙
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\dot {\mathbf {B} }}}
。
馬 うま 克 かつ 士 し 威 たけし 在 ざい 他 た 的 てき 論文 ろんぶん 裏 うら 特別 とくべつ 提出 ていしゅつ ,開 ひらき 爾 なんじ 文 ぶん 男爵 だんしゃく 於1851年 ねん 發現 はつげん 的 てき 關 せき 於磁向 むこう 量 りょう 勢 ぜい 的 てき 數學 すうがく 性質 せいしつ ,[ 14] :198-199 即 そく 任意 にんい 添加 てんか 一 いち 個 こ 函數 かんすう 的 てき 梯 はしご 度 ど 給 きゅう 磁向量 りょう 勢 ぜい ,都 と 不 ふ 會 かい 改變 かいへん 磁向量 りょう 勢 いきおい 與 あずか 磁場 じば 的 てき 關係 かんけい 式 しき 、法 ほう 拉 ひしげ 第 だい 感應 かんおう 方程式 ほうていしき ,這數學 がく 性質 せいしつ 後 ご 來演 らいえん 化 か 為 ため 現今 げんこん 規範 きはん 自由 じゆう 的 てき 概念 がいねん 。[ 11]
^ 黑 くろ 維塞, 奧 おく 利 とし 弗 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.
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