Магнитное поле 2D

Рассмотрим магнитостатику — стационарное поле прямоугольного постоянного магнита, однородно намагниченного (M=const\mathbf{M} = \text{const}). Свободных токов нет, поэтому поле потенциально: ×H=0\nabla \times \mathbf{H} = 0, откуда H=φ\mathbf{H} = -\nabla \varphi. Подставляя это в условие B=0\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 при B=μ0(H+M)\mathbf{B} = \mu_0 (\mathbf{H} + \mathbf{M}), получаем для скалярного потенциала одно эллиптическое уравнение (с оператором Лапласа) и условие Дирихле на внешней границе — поле затухает вдали

{2φx2+2φy2=σ(x,y),(x,y)Ω,φΩ=0.\begin{cases} \frac{\displaystyle \partial^2 \varphi}{\displaystyle \partial x^2} + \frac{\displaystyle \partial^2 \varphi}{\displaystyle \partial y^2} = \sigma(x, y), & (x, y) \in \Omega,\\ \varphi\big|_{\partial \Omega} = 0. \end{cases}
(7.32)

Слева — оператор Лапласа (2=Δ\nabla^2 = \Delta). Правая часть — источник σ=M\sigma = \nabla \cdot \mathbf{M}: у однородного магнита внутри он равен нулю, а на полюсных гранях даёт связанный поверхностный заряд (по сути — нормальный «поток» намагниченности Mn\mathbf{M} \cdot \mathbf{n}), который зависит от того, на какой грани мы находимся

σ=Mn={+M,правая грань (N),M,левая грань (S),0,верхняя и нижняя грани.\sigma = \mathbf{M} \cdot \mathbf{n} = \begin{cases} +M, & \text{правая грань (N)},\\ -M, & \text{левая грань (S)},\\ 0, & \text{верхняя и нижняя грани}. \end{cases}

Уравнение (7.32) — уравнение Пуассона, то есть эллиптическая краевая задача; об эллиптических уравнениях и сведении к ним нестационарных задач — в приложении N. Решаем её численно методом конечных элементов на треугольной сетке: слабая форма ΩφvdΩ=магнитMvdΩ\int_\Omega \nabla \varphi \cdot \nabla v \, d\Omega = \int_{\text{магнит}} \mathbf{M} \cdot \nabla v \, d\Omega.

Рис. 7.3. Численное (МКЭ) поле прямоугольного магнита (N — красный полюс, S — синий). Цветом показана карта потенциала φ\varphi; кнопка ∇ накладывает векторы поля.