有限元方法在“电动力学”中的应用研究

摘 要：电动力学作为一门理论物理的基础课程，是用数学语言来描述作为一门理论物理的基础课程，是用数学语言来描述，求解复杂电磁学问题的技术条件，同时也出现了加有限元方法等有效的计算方法。文章主要探讨有限元方法在“电动力学”中的应用研究。

关键词：有限元方法；电动力学；应用

中图分类号：O442-4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0113-02

光量子就是一种“左”和“右”的奇异偏振粒子，由于偏振的对称或不对称，而发生光波在干涉过程中的系统偏振化。苏联科学家瓦维洛夫设计的许多光学实验，十分有趣地说明了光的偏振是光学过程的基本现象之一。所有的实验都表明，光是一种粒子现象，而一切单色的运动的微观粒子群都表现为粒子的波的本性。

1 电动力学原理

1.1 光量子

电子是一个小旋涡体。光量子是由2个质量相等、自旋相反的电子在小黄道面（E平面）上结合的双粒子。

以化学键结合的电子偶，由于在双电子中间结合带，质点所受向心力被抵消，使质点沿圆切线方向被抛出，在反冲力推动下，光量子会沿曲率半径为无限大的圆“自己运动”，因此，光量子的静止质量等于零。在处理光量子运动学问题时，可将它比成一个按周期间歇振荡，在时间与空间中补充燃料质量近似等于喷出燃料质量，自己推进的小火箭。因为光量子是由2个电子在E平面上结合而成的，所以它是偏振的，有EHc。图1表示电子偶在小黄道面上的物质旋涡运动呈疏密相间的条带分布（类似太阳系中的小行星环缝）。由于共振效应，双电子只能停留在各物质环缝上结合。这些环缝是光量子的能级En。处于不同分立能级状态下结合的双电子的中心距an不同，其电子的质量亏损也不同。an愈小的光量子有愈大的能级。光量子的能级表征了它特有的固有振动频率。是每个光量子的固有振动频率决定了光的颜色，并与光波波长有密切关系。

自旋电子的场的开放性使单个电子很难单独游离存在，所以，电子团一般都是由偶数个“左”和“右”自旋的单电子在E平面上结合形成的。而由奇数个单电子组成的总自旋角动量不为零的电子链条通常是不稳定的衰变粒子团。每一个电子团的固有振动频率为vc，其中每个电子的瞬时振动速度为光速±C并具有内能mec2。不同的光量子所需外场激发能量不同。在电场中的电子团受电场力被加速。外场所做的功除表现为电子团的动能增加外，由于阻力，所以还表现在对电子团压缩变形的质量亏损上。因此，在电场中运动的电子团，根据瞬时速度不同，被压缩的能级状态也不同。不同能级状态下的电子团有不同的固有振动频率vc，恰恰是这个固有振动频率vn记忆了能量压缩过程。取在放电管中电子团的固有振动频率最大值vmax，平均振动频率v=■，当时v=c，就有下面电动力学的基本方程：

式中，me为单电子的质量，h为普朗克常数。

当在放电管中充满某种气体分子，且在气体第一电离电位临界点上，气体电离原子的主振频率等于电子团的平均固有振动频率vn时，则发生电子团在共振中被破坏，分散成在一个平面上对称辐射的2个或3个光量子（单态或三重态），形成最强的线状光谱的辐射。

1.2 粒子的干涉和光波的内部结构

因为微观粒子质量很小，粒子之间开放键的作用相对很强，所以，任何两个电子团或光量子，在小夹角的碰撞中都表现为粒子最原始的干涉形式。我们把这种碰撞叫做“吸引碰撞”或“排斥碰撞”。例如，两个沿同方向，在E平面上以小夹角相遇的光量子，因为互相靠近的电子自旋方向相反则互相吸引，使在“吸引碰撞”后的两个光量子沿其速度矢量夹角平分线ψ方向运动。而两个向反方向运动的光量子在E平面上相遇时，由于互相靠近的电子自旋方向相同而发生“排斥碰撞”相互分离。其他各种偏振的、对称或是不对称的碰撞形式，读者可以自己研究。例如，偏振面互相垂直的两个光量子，相互碰撞就不能发生干涉现象。光量子在干涉或界面反射过程中往往发生系统的偏振化，成为圆偏振光或椭圆偏振光。

在空间中任何按一定平均自由程分布的“单色偏振态相同或相近微观粒子群”都能发生上述粒子的干涉现象。光波就是由光量子组成的、自己推进的粒子波。在光源的附近就已经发生干涉所形成的光线上，包含着许多长程无序分布的“线波包”。在每个“线波包”内是由光源在一次辐射，经过干涉而聚集的光量子。光量子在“线波包”内排列是有序的，前后两组光量子之间的距离为 mλ（m是正整数，λ是波长）。

如图2所示，由一次辐射所分开的两条相干光线上，当“线波包”之间的光程差小于它本身的长度时，在一定干涉孔径条件下，两条光线能够发生干涉。在图2中给定的初始条件下，从小孔光源S或S’毫无规律地向任意方向辐射的光量子，只能在与S7或S两个点的理论波阵面上，光程差L=mλ上各点相遇，相遇后的两组光量子在干涉后沿其速度矢量夹角平分线上的ψ方向运动，这个方向就是光线干涉后的传播方向。光波的干涉不是充满在整个空间的粒子毫无规则的弹性碰撞，而是以“线波包”中光量子相遇的“吸引碰撞”或“排斥碰撞”发生的光量子在光线方向上的集中，这表现为光波能量在干涉过程中的重新分布。

2 有限元法及其在“电动力学”中的应用

有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的基本思想是：在变分法或加权余量法基础上，采用分块逼近而形成的系统化的数值计算方法。有限元法的基本原理是：首先将求解区域进行离散化，其次剖分成若干互相连接而又不重叠的一定几何形状的子区域，这样的子区域称为单元（二维问题的子区域，一般取为三角形区域或矩形区域）。在单元体中选择基函数，用单元基函数的线性组合来逼近单元中的真解，而总体基函数可以由单元基函数组成。也就是说，有限元方法是根据变分原理和方程余量与权函数正交化原理建立起的积分表达式为出发点，将整个积分区域中的求解函数离散为若干单元区域中的连续函数，再通过单元积分，总体合成为代数方程形式的有限方程。对于二维情况，拉普拉斯方程及边界关系为：

与有限差分法等其他数值方法相比，有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，但局限性在于只适用于相对小的子域。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）形象地将其描绘为：“有限元法——Ray—leigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。与求解满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法（往往是很困难的）相比，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。由于有限元法的重要应用，现在已经开发出了许多关于有限元法的通用程序与软件。

与差分法比较，有限元素法的节点配置方式比较灵活，因此适用于处理形状比较复杂的区域。它的边界节点完全处在区域的边界上，从而在边界上可以给出较好的逼近。当边界比较复杂的时候，有限差分法是很难处理的，而且误差也较大，有限元素法还可以根据具体情况的需要，在一部分求解区域中配置较密的节点，而在另一部分求解区域中配置较稀疏的节点，以便在尽量不增加过多的节点总数下，提高计算精度，这些长处是有限差分法很难实现的。当然，差分法采用直交网格，列计算格式比较简便，而有限元素法由于节点配置比较任意，列计算格式就要复杂得多，不过这些计算格式都可以在电子计算机上自动运算。

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