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均匀磁场中的多层磁介质 孙午炯 Part1:理论推导转移矩阵 设均匀空间
均匀磁场中的多层磁介质
孙午炯
Part1:理论推导转移矩阵
设均匀空间中有一个由不同磁导率球壳组成的多层球,由外道内磁导率分别为,,……,对应的球半径为,……。
磁标势:; ……
根据两个边界条件,可以得到通式:,
运算后可得转移矩阵:
设,那么可以得出最外层和最内层关系
显然对于均匀外磁场的已知条件,易得;原点有限,有
根据以上两点,理论上可以解出任何一个和。易得
Part2:两层球的验证,并寻找无等效磁偶极子的
对于两层球的结构,不妨设,,,,来求无等效偶极子的
根据转移矩阵的原理,用c语言编写通用程序,对于两层球只需设定,给定上述参数,在时,就是,无等效磁偶机子,可解出。
但是解出结果后并不能确定其正确性,所以需要用comsol来验证。
左图是空气中两层介质球的示意图:
1.相对磁导率如图所示,内外半径分别为1和0.6.
2.颜色表示的模的大小
3.蓝线表示的方向,与颜色组合很好地描述了磁感应强度的性质。
4.显然,外场受等效磁偶极子很大的影响。
左图延续上图的几何设置,只是把环境的相对磁导率改成解出的。
很明显的看出外场依然是均匀磁场了,也就是说两层的介质球其磁感应得出的等效磁偶极子为零。
注(上下两张图颜色所表示的磁感应强度的范围是一样的)详见右图。
comsol很好地证明了我的理论和程序结果都是正确的。
注(我在comsol的数值模拟中并不能产生完美的均匀外磁场,因为我的方法用是一块永磁铁两头分别用铁条连接两块半径为10的平行铁板,而不是无限大铁板,这样铁板间的中心部位可以产生近似的均匀磁场,但仍有偏差,其实从上面的图中就可以看出。不过总的来说,这些小偏差可以忽略,再次特作说明)
Part3:一点启发
老师:
其实对于两层球是可以写出确切的表达式的,而且也不是太复杂,不过我并没有这么做,因为我觉得这样对于多层时是没多大意义,所以我决定代入自己设置的几个参数做数值计算。而且我编写的程序也是通用的(对任意层),只要有参数就可以算出无等效磁偶机子对应的环境的磁导率。
老师,我从这个project中得到一点启发:这样的多层球会不会形成一个对均匀磁场的cloaking?即最内层是空气,用来放任何想cloaking的东西,和都为0,而且最外面的。理论上要实现这些肯定需要多层膜(电磁的cloaking是渐变的),只是我不清楚对于有限层壳(比如5、6层)能不能实现,还有如果可以实现,我觉得这些层的磁导率可能是有正有负,因为全是正的话磁场线法向上肯定是连续的,这样最后最内层肯定会有磁场线。
最后,我之所以觉得有限层壳可能可以实现静磁的cloaking是因为我觉得静磁和电磁波还是有一定的区别的,(可是话说回来,当电磁波波长远大于球的尺寸时,近似的可以看作球在均匀磁场中,所以电磁的cloaking一定可以实现静磁的cloaking,那静磁会不会有一种特殊形式,即可以用有限层来实现)老师,您觉得呢?
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