B 0nI c 得:长直载流螺线管内的磁场: 无限长载流螺线管内部磁场处处相等 , 外 部磁场为零。 例题 已知I 、R,电流沿轴向、在截面上均匀分 布,求“无限长”载流圆柱导体内外磁场的分布。 解: 首先分析对称性 电流分布——轴对称 磁场分布——轴对称 r O I R dS1 dB2 dB dB1 l 0I
2πr 0I L dl dl r 2πr
dl L
L B dl 0 I 取闭合回路 L 为圆形回 路( L与 I 成右螺旋) (闭合环路半径不同时,结果一样。) I B 若取回路绕向为逆时针时, dl L 则: 0I L B d l 2 π r 0 ( I ) [一段不闭合的载流导线产生的磁场,以 及电流随时间变化时,不适用] (5) 安培环路定理反映磁场的性质—— 磁场是非保守场,是有涡旋的场。 安培环路定理的例证: 考虑闭合回路在与导线垂直的平面内。 载流长直导线的B μ 0 I 磁感应强度为: 2πr I B o L
B dl L
I1 ( I 1 I 2) 0 思考: 1) B 是否与回路 L 外电流(如I3)有关? 2)若 B d l 0 ,是否回路 L 上各处 B 0 ? L 此时是否回路 L 内必无电流穿过? 闭合回路包围电流的判断: 方法:以闭合回路为边界任意做一曲面, 电流穿过曲面就算被环线包围。 s 2 L s1 安培环路定理为我们提供了求磁感应强度的另一种 方法。但利用安培环路定理求磁感应强度,要求磁场具 有一定的特点(即有特定的对称性) 。 利用安培环路定理求磁感应强度的关键:根据磁场 分布的对称性,选取合适的闭合环路。 选取安培环路的原则: (1)环路要经过所要考察的场点。 (3)要求环路上各点 B 大小相等,B 的方向与环路方向 0 I 一致,目的是将: L B d l 0 I 写成 B d l 或 B 的方向在环路上某些部位与环路方向垂直: B dl , cos 0 , B d l 0, B d l 0 I B
I 沿闭合回路的环流为: a d b B
B dl 源自文库 l c d b a c d a B d l B d l B d l B d l B ab b B ab
l B d l 0 n a bI 静电场: E 静 d l 0 L 稳恒磁场: B d l ? L 保守场/无旋场 §10.4 安培环路定理 (Ampé Circulation Theorem) re’s 1. 定理表述 对真空中的稳恒磁场,磁感应强度 B 沿任 一闭合路径的线积分,等于 μ 0 乘以该闭合路径 所包围的各电流的代数和。 数学表达式: o R dl L L 与 I 成左螺旋 [闭合回路不是圆形时, …] [闭合回路不在平面内而是 一般闭合曲线时,证明略] 讨论: 安培环路定理
L B dl 0 Ii L内 I1 I1 L I2 I 3
L B d l 0 ( I1 I1 I1 I 2 ) P dS 2 电流及其产生的磁场具有轴对称分布. 方向? 作积分回路如图, 则 B 沿该闭合回路的环流为: B dl B dl 2 rB L L r>R时 I R 根据安培环路定理:
L B dl 0 I B r 得: B μ0 I 2 r π 如图示,对 作一安培回路如图, d B c
L B d l B 2 l 0 jl B 0 j 2 a B l b 方向如图所示。 结论 在无限大均匀平面电流的两侧的磁场都为均 匀磁场,并且大小相等,但方向相反。 同轴电缆的内导体圆柱半 径为R1,外导体圆筒内外半径 分别为R2、R3,电缆载有电流I (双向),求磁场的分布。 解:视为无限多平行长 直线电流的磁场之和。 分析:场点p的对称性 做 po 垂线,取对称的 长直电流元,其合磁场 方向平行于电流平面。 dB dB ' p dB ' ' dl ' o dl ' ' 无数对称元在 p点的总磁场方向平行于电流平面。 因为电流平面是无限大,故与电流平面等距离的 各点B的大小相等。在该平面两侧的磁场方向相反。 课堂练习 R3 B R1 0I 2 R1 2 R2 r r R1 I R1 r R 2 2 2 B B 0I 2 r 2 I r 0 I ( R3 r ) 2 r ( R 3 R 2 ) 2 r R2 r R3 B 0 电场、磁场中典型结论的比较 电荷均匀分布 长直线 长 直 圆 柱 面 长 直 圆 柱 体 2. 物理含义: 磁场是有旋场 (非保守场) 3. 明确几点 (1) 电流有正负规定(电流方向与环路方向满 足右手螺旋关系时电流为正)。 (2) B 是指环路上场点的磁感应强度,但它是 环内外所有电流共同产生的总场强。 (3) B 沿闭合环路的路径积分值(环流)—不 是场强本身,—跟电流从何处穿过该环路 所围成的曲面以及环路之外的电流无关。 (4) 环路定理仅适用于闭合稳恒电流的磁场。
L B dl 0 Ii L内 安培环路定理
L B dl 0 Ii 0 L内 (积分形式)
S以 L为 边 J dS I L 注意 电流 I 正负的规定 : I 与 L 环路方向 成右螺旋时,I 为正;反之为负。 附:[真空中]安培环路定理的微分形式 B 0J B 0 安培环路定理(稳恒电流情形): H dl Ii L L内 H J H B 0 M M lim V内
磁 矩 pm V 对线性各向同性 磁介质: H B V 0 0r 例题 一载流螺绕环,匝数为 N ,内径为 R1 , 外径为 R2 ,通有电流 I ,求管内磁感应强度。 垂直部分 平行部分 (2)环路的长度便于计算; 4. 安培环路定理的应用举例 例题 长直密绕螺线管,单位长度上电流匝 数为 n ,求螺线管内的磁感应强度分布。 解:1 ) 对称性分析:螺线管内磁感线平行于 轴线,且在同一条磁感线上各点的 B 大小相 等, 外部磁感强度趋于零 ,即 B 0 。 选择安培环路如图: r o R1 R2 解 1) 对称性分析:电流分布 有轴对称性,故 B 分布亦然。 2)选回路:取同心圆安培环路。 r o R1 R2
B dl l B dl 2 π rB l l 根据安培环路定理: 线圈内: B 0NI 2πr
B dl 0 N I Amperian loop 则B rR 处 I 作积分回路如图, R I
B dl 沿该闭合回路的环流为: L
L B d l 2 rB r 根据安培环路定理:
L B dl 0 I 0 I R 2 2 r 2 0I 2 R B 得: B
0 I 2 R r r o R 例题 无限大平板电流的磁场分布。设一无限大导体 薄平板垂直于纸面放置,其上有方向垂直于纸面朝外 的电流通过,面电流密度(即指通过与电流方向垂直 的单位长度的电流)处处均匀,大小为 j 。 E 电流均匀分布 B
2 0 r 0 I 2r 内 外 内 外 E 0 E B 0
2 0 r B 0 I 2r E
2 0 R 2 r B 0 I 2 R 2 r E
2 0 r B 0 I 2r 有磁介质时的 高斯定理和安培环路定理 高斯定理:
S B dS 0 (不均匀) 线圈外: [方向(与电流关系)?]
B dl 0 B 0 l B B 0NI 2 r r o R1 R2 o R1 R2 r 若 R1、 R 2 R 2 R1 n N 2 R1 则: B μ 0 nI 当 2 R d (管截面直径)时,螺绕环内可视为均 匀场 。