Interested Article - Векторный потенциал

В векторном анализе ве́кторный потенциа́л — это векторное поле , ротор которого равен заданному векторному полю. Он аналогичен скалярному потенциалу , который определяется как скалярное поле, градиент которого равен заданному векторному полю.

Формально, если — векторное поле, векторным потенциалом называется векторное поле такое, что

Если является векторным потенциалом для поля , то из тождества

( дивергенция ротора равна нулю) следует

то есть должно быть соленоидальным векторным полем .

Для любого соленоидального векторного поля, удовлетворяющего определённым условиям, существует векторный потенциал. В частности, его существование зависит от области, на которой определено поле — в случае многосвязной области потенциал вихревого поля обычно не существует.

Теорема

Пусть

— дважды непрерывно дифференцируемое соленоидальное векторное поле . Предположим, что убывает достаточно быстро при . Определим

Тогда является векторным потенциалом для , то есть

Обобщением этой теоремы является разложение Гельмгольца , согласно которому любое векторное поле может быть представлено как сумма соленоидального векторного поля и безвихревого векторного поля .

Неоднозначность выбора потенциала

Векторный потенциал соленоидального векторного поля определяется неоднозначно. Если является векторным потенциалом для , также им является

где — любая непрерывно дифференцируемая скалярная функция. Это является следствием того факта, что ротор градиента равен нулю.

В электродинамике это даёт неоднозначность при определении потенциалов электромагнитного поля и решается наложением на потенциал дополнительного условия калибровки .

Векторный потенциал в физике

Уравнения Максвелла

Одним из способов записи уравнений Максвелла является формулировка в терминах векторного и скалярного потенциалов. Векторный потенциал вводится таким образом, что

(в системе СИ ).

При этом уравнение удовлетворяется автоматически.

Подстановка выражения для в

приводит к уравнению

согласно которому, так же как и в электростатике , вводится скалярный потенциал. Однако теперь в вносят вклад и скалярный, и векторный потенциалы:

Из уравнения следует

Используя равенство , уравнения для векторного и скалярного потенциалов можно записать в виде

Физический смысл векторного потенциала

В классической электродинамике векторный потенциал достаточно часто трактовался как величина, не имеющая непосредственного физического смысла, формально вводимая лишь для удобства выкладок, хотя уже в структуре действия для классической электродинамики векторный потенциал входит таким прямым образом, что это наводит на мысль о его фундаментальном характере.

В квантовой теории это имеет прозрачный физический смысл прямого влияния векторного потенциала на фазу волновой функции движущейся в магнитном поле частицы. Более того, удалось поставить квантовые эксперименты, показавшие, что векторный потенциал доступен достаточно непосредственному в некотором смысле измерению (по крайней мере, речь идёт о том, что векторный потенциал может влиять наблюдаемым измеримым образом на квантовую частицу даже тогда, когда напряжённость магнитного поля в областях, доступных частице, всюду равна нулю, то есть магнитное поле не может оказывать воздействие на частицу через напряжённость, а лишь прямо — через векторный потенциал; см. Эффект Ааронова — Бома ).

Подобно тому, как скалярный потенциал связан с понятием энергии , векторный потенциал обнаруживает тесную связь с понятием импульса . Так, в случае быстрого отключения магнитного поля частица, находившаяся в нём, получает дополнительный импульс qA.

См. также

Источник —

Same as Векторный потенциал