
【電】 reciprocal energy theorm
【法】 barter; mutual transaction; permutation
energy
【化】 energy
【醫】 capacity
【經】 capacity; energy
theorem
【化】 theorem
【醫】 theorem
互易能量定理(Reciprocal Energy Theorem)是電磁學領域的基礎理論之一,主要描述兩個獨立電磁源在相同媒質環境中能量交換的對稱性關系。該定理指出:若系統滿足線性、時不變且無源條件,源A在源B位置處産生的場與源B在源A位置處産生的場之間滿足能量互易性。數學表達式可表示為:
$$ iiint_{V} (mathbf{E}_a cdot mathbf{J}_b - mathbf{H}_a cdot mathbf{M}b) , dV = iiint{V} (mathbf{E}_b cdot mathbf{J}_a - mathbf{H}_b cdot mathbf{M}_a) , dV $$
其中,$mathbf{E}_a$和$mathbf{H}_a$為源A産生的電磁場,$mathbf{J}_b$和$mathbf{M}_b$為源B的電流與磁流密度,反之亦然。
該定理在天線設計、電磁兼容性分析及微波網絡參數計算中具有重要應用。例如,在雷達系統中,通過互易性可推導發射天線與接收天線的輻射方向圖一緻性,為天線性能驗證提供理論依據。國際電氣電子工程師協會(IEEE)将其列為電磁場理論核心内容,相關推導過程可參考經典教材《電磁場與電磁波》第4章。
互易能量定理是互易定理在能量相關場景下的延伸應用,主要描述系統在激勵與響應互換時能量關系的對稱性。以下是詳細解釋:
互易定理的核心是系統輸入與輸出的對稱性:當激勵源與測量點位置互換時,系統的響應保持不變。在能量場景下,這種對稱性表現為能量傳輸路徑的可逆性,例如:
根據互易定理的數學形式: $$ frac{x}{y} = frac{y}{x} $$ 當應用于能量關系時,可推導出: $$ frac{P_1}{P_2} = frac{P_2}{P_1} $$ 其中$P_1$和$P_2$分别表示不同位置的能量參數(如功率、壓力等)。
電路系統
在含單個獨立源的線性網絡中,電壓源與電流測量點互換後,能量傳輸效率保持恒定。例如100W功率輸入時,輸出端測得50W;互換位置後輸入50W可獲得100W輸出。
流體力學
管道系統中壓力能與動能轉換存在互易性,通過測量已知流體的能量損耗,可推算未知流體的能量特性。
生物醫學
超聲波檢測中,發射器與接收器互換時,組織吸收的能量特性保持不變,這被用于優化醫學成像設備。
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