穩態熱傳導系統屬於擴散系統,靜電(或靜磁)系統屬于波動系統,為什麼?

2021-02-18 科學家夥

1、引言

穩態熱傳導系統屬於擴散系統,而非波動系統;靜電或靜磁系統屬于波動系統,而非擴散系統。釐清這個概念,對於認識其中的物理機制,大有裨益,故撰此文。

2、問題由來

有文獻誤認為靜電或靜磁系統屬於擴散系統(而非波動系統),這是不對的。究其原因,這個誤解源於靜電或靜磁系統滿足的拉普拉斯方程,與穩態熱傳導系統滿足的拉普拉斯方程,數學形式上完全一致,而熱傳導系統是公認的擴散系統,所以,也就順理成章地認為靜電或靜磁系統屬於擴散系統了。

然而,這是不對的。此拉普拉斯方程非彼拉普拉斯方程。

3、描述靜電或靜磁系統的拉普拉斯方程,源自波動方程

根據麥克斯韋方程組,描述電學(或磁學)系統的物理量電勢(或磁矢勢)滿足波動方程,該類波動方程的典型特徵是:包含電勢(或磁矢勢)對空間的二階導數項(記為A項),以及電勢(或磁矢勢)對時間的二階導數項(記為B項)。對於靜電(或靜磁)系統,對應的電勢(或磁矢勢)滿足同樣的波動方程,只是此時B項消失了,當系統中無源時,該波動方程只剩"A項=0",即拉普拉斯方程(方程I)。

4、描述穩態熱傳導系統的拉普拉斯方程,源自擴散方程

另一方面,對於非穩態熱傳導系統,其可以用擴散方程描述,該類擴散方程的典型特徵是:包含溫度對空間的二階導數項(記為A' 項),以及溫度對時間的一階導數項(記為B' 項)。當熱傳導系統從非穩態過渡到穩態時,該擴散方程依然適用,只是此時的B' 項消失了,當系統中無源時,該擴散方程只剩「A' 項=0」,即拉普拉斯方程(方程II)。

注意:上述方程I與方程II雖然數學形式嚴格相同,但是,它們的來源並不相同,一個來自波動方程(靜電或靜磁),另一個來自擴散方程(穩態熱傳導)。

5、結論

因此,靜電或靜磁系統屬于波動系統,而非擴散系統——儘管靜電或靜磁系統和穩態熱傳導系統(擴散系統之一種)一樣,可以用同樣的數學形式(拉普拉斯方程)描述。

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