电磁学稳态电压电压守恒
电压守恒是自然界的基本定理,用多项式方式可以表示为
(1)
其中,
是电压密度矢量,
是空间电荷密度。
在稳态电压或直流电(DC)这种重要的特殊情况下,下式创立
(2)
为此,直流电压的多项式为
(3)
这个等式在物理上类似于自由空间中的静电多项式。另外,如同静电情况一样,麦克斯韦多项式组暗示了电场须要满足无旋(无旋度)场的额外要求。
(4)
这是在稳态电压理论中没有电磁感应的另一种说法。
欧姆本构定理的材料
电压密度与电场成反比的材料可以用称为欧姆定理的本构多项式描述
(5)
其中
是浊度率,表示如下
其中,
分别表示电荷自旋的迁移率、数密度和电荷,因而电压密度可以改写为
其中,
是电荷自旋的甩尾或平均速率。
在铝线等导体中,电荷自旋(电子)的飘移速率低至每秒几微米焦耳定律计算工具,显著大于电能的流速(接近光速)。
在各向异性材料情况下,浊度率可以是一个3x3的张量
(6)
这意味着,对于个别材料来说,
场和电压密度矢量
可能不会完全一致。
欧姆定理一般适用于金属等良导体,其电压主要由电子携带。对于半导体材料的绝缘体,欧姆定理可能是不够的,须要更中级的模型。
利用电势,用欧姆定理描述的材料中稳态电压的基本多项式可以变为
(7)
螺旋电感器中的电压密度,其中左右边界之间施加了电势差。左图显示电感器表面的电压密度幅值焦耳定律计算工具,下图显示切割结构的截平面上的电压密度幅值。红色和绿色分别表示低值和高值。下图中的箭头表示电压密度的方向,电压趋于于流经最短路径,如该结构顶角处的白色区域所示。
材料界面的稳态电压多项式和边界条件
稳态电压理论与静电学理论相像。下表汇总了最重要的稳态电压多项式:
多项式名称微分方式积分方式边界条件
电压守恒
法拉第定理(稳态电压)
法拉第定理在稳态电压理论中的含意与静电学中的相同。电压守恒多项式的涵义可以概括如下:
多项式名称微分方式积分方式边界条件
电压守恒
电荷不能被创造或剿灭
通过封闭表面的总电压等于零;这是电路的基尔霍夫电压定理的等效场
电压密度的法向份量是连续的
稳态电压形成的磁场
上述关于稳态电压的理论不涉及任何磁场;但是,稳态电压总会形成磁场。因为磁场是静止的,因而不会形成任何二次电压(涡流),一旦晓得了稳态电压,就可以完全确定磁场。诸如,您可以按照麦克斯韦-安培定理的稳态版本来估算由稳态电压形成的磁场
请注意,通过取这个等式的散度,电压守恒多项式可以恢复到它的稳态方式
功率耗损和内阻耗损
对于容积
,以场量表示的功率耗损为
其中,功率能量密度定义为
在导体中,这些功率被转化为热量,称为内阻或欧姆耗损。