
【电】 reciprocal energy theorm
【法】 barter; mutual transaction; permutation
energy
【化】 energy
【医】 capacity
【经】 capacity; energy
theorem
【化】 theorem
【医】 theorem
互易能量定理(Reciprocal Energy Theorem)是电磁学领域的基础理论之一,主要描述两个独立电磁源在相同媒质环境中能量交换的对称性关系。该定理指出:若系统满足线性、时不变且无源条件,源A在源B位置处产生的场与源B在源A位置处产生的场之间满足能量互易性。数学表达式可表示为:
$$ iiint_{V} (mathbf{E}_a cdot mathbf{J}_b - mathbf{H}_a cdot mathbf{M}b) , dV = iiint{V} (mathbf{E}_b cdot mathbf{J}_a - mathbf{H}_b cdot mathbf{M}_a) , dV $$
其中,$mathbf{E}_a$和$mathbf{H}_a$为源A产生的电磁场,$mathbf{J}_b$和$mathbf{M}_b$为源B的电流与磁流密度,反之亦然。
该定理在天线设计、电磁兼容性分析及微波网络参数计算中具有重要应用。例如,在雷达系统中,通过互易性可推导发射天线与接收天线的辐射方向图一致性,为天线性能验证提供理论依据。国际电气电子工程师协会(IEEE)将其列为电磁场理论核心内容,相关推导过程可参考经典教材《电磁场与电磁波》第4章。
互易能量定理是互易定理在能量相关场景下的延伸应用,主要描述系统在激励与响应互换时能量关系的对称性。以下是详细解释:
互易定理的核心是系统输入与输出的对称性:当激励源与测量点位置互换时,系统的响应保持不变。在能量场景下,这种对称性表现为能量传输路径的可逆性,例如:
根据互易定理的数学形式: $$ frac{x}{y} = frac{y}{x} $$ 当应用于能量关系时,可推导出: $$ frac{P_1}{P_2} = frac{P_2}{P_1} $$ 其中$P_1$和$P_2$分别表示不同位置的能量参数(如功率、压力等)。
电路系统
在含单个独立源的线性网络中,电压源与电流测量点互换后,能量传输效率保持恒定。例如100W功率输入时,输出端测得50W;互换位置后输入50W可获得100W输出。
流体力学
管道系统中压力能与动能转换存在互易性,通过测量已知流体的能量损耗,可推算未知流体的能量特性。
生物医学
超声波检测中,发射器与接收器互换时,组织吸收的能量特性保持不变,这被用于优化医学成像设备。
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