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  • 1 # 使用者5577270182258

    勢場是無力場的一種特殊情況(無力場因子為0的情況)

    勢場中沒有電流,無力場中電流和磁場平行

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    無力場和勢場是等離子體物理和磁流體力學中常見的兩個概念。

    在等離子體中,物質的運動受到電磁場影響,所以動力學方程引入洛倫茲力:

    與此同時等離子體作為流體,滿足連續性方程:

    當然,等離子體所處的電磁場滿足麥克斯韋方程:

    以上是完整的磁流體力學方程,完整的解出以上方程可以解決(非相對論,非耗散)等離子體物理中的大部分問題,但是以上方程非常的繁難複雜,而且非線性,解起來賊費勁,所以得近似一下。

    這就引出了無力場和勢場的概念

    這兩個近似就是在稀薄磁化等離子體中,忽略等離子體密度和熱壓強。把這個近似帶入到動力學方程裡面就有:

    也就是羅洛倫茲力是0。沒有洛倫茲力,所謂無力就是打這兒來的。

    因為是磁化等離子體,所以 B 等 0 是不可能了,所以 有兩種可能性:

    (1)

    沒有電流,對應勢場的情況

    (2) 和 同方向

    同方向向量叉乘為0,也就是電流沿著磁場方向,對應無力場情況。

    可以用向量乘以係數來描述同方向的向量:

    這裡的 是無力場因子。

    做以上的近似都是為了解磁場位形,回到麥克斯韋方程,對於穩態情況(時間求導為0的情況)有:

    對於勢場就有:

    其中, 意味著向量場B是無旋的,無旋的場可以表示成一個勢場的梯度(勢場就是打這兒來的)。即 ,又有 ,所以有

    這個熟悉的形式是拉普拉斯方程,拉普拉斯方程已經有很多成熟的數值和解析解決方案。在實際應用中,太陽日冕的磁場外推就是用這種近似外推出空間的大致磁場位形:

    無力場相比於勢場要稍微複雜一點,因為有無力場因子 ,所以結合麥克斯韋方程之後有:

    是一個向量方程組,可以從向量場開始進行磁場外推,相比於勢場,無力場外推對於邊界條件要求更加苛刻,但是得到的結果更加準確。

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    總結:

    無力場和勢場都是對於等離子體中磁場的近似

    其中勢場近似的約束條件更強,要求空間中不存在電流。勢場求解只需要邊界的法向磁場分量。得到的結果比較粗略。這種近似在日冕和行星際是可以認為成立的,因為日冕和行星際往往磁壓強比熱壓強高很多。

    無力場近似只要求空間電流和磁場平行。無力場求解需要邊界的磁場三分量,而且計算過程相對複雜的多,為了簡化計算,對於無力場近似有線性無力場。無力場外推計算出來的磁場適用範圍更廣,可以更好的描述低日冕的情況。

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