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無(wú)限長(zhǎng)直電流的磁場(chǎng)

 cosmos2062 2024-12-02 發(fā)布于廣東

利用安培環(huán)路定理求解一根無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,所得到的結(jié)果與使用對(duì)畢奧—薩伐爾定律直接求積分的方法得到的結(jié)果一致。

通過(guò)分析 “對(duì)載流回路激發(fā)的磁場(chǎng)做環(huán)路積分” 這個(gè)問(wèn)題的物理圖象,我們得到了恒定磁場(chǎng)遵守的一條自然法則,安培環(huán)路定理。這個(gè)自然規(guī)律告訴我們,恒定磁場(chǎng)沿一條閉合曲線的環(huán)路積分,只取決于該閉合曲線所環(huán)繞的電流強(qiáng)度的代數(shù)和,與閉合曲線外圍的電流強(qiáng)度無(wú)關(guān):在上面的公式中,積分符號(hào)上的圈圈代表積分是沿著一條閉合曲線進(jìn)行的。原則上說(shuō),這個(gè)圈圈只是一個(gè)象征性的符號(hào),寫(xiě)或者不寫(xiě),并不影響問(wèn)題的本質(zhì)。不過(guò),習(xí)慣上都會(huì)寫(xiě)上這個(gè)圈圈,這樣對(duì)理解問(wèn)題會(huì)有幫助。

作為一條自然規(guī)律,除闡明了恒定磁場(chǎng)的物理本質(zhì)外,安培環(huán)路定理還向我們提供了一種求解電流系統(tǒng)激發(fā)磁場(chǎng)的簡(jiǎn)易方法。對(duì)于具有某種對(duì)稱性分布的電流系統(tǒng),利用安培環(huán)路定理可以輕而易舉地求出它激發(fā)的磁場(chǎng)的空間分布。

為了利用安培環(huán)路定理求解一個(gè)電流系統(tǒng)激發(fā)的磁場(chǎng),首先要對(duì)磁場(chǎng)的對(duì)稱性做定性分析,以便找到一條合適的閉合積分路徑,使得在這條路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度具有某種對(duì)稱性,能夠從積分符號(hào)中被釋放出來(lái)。否則,作為一個(gè)未知的函數(shù),磁感應(yīng)強(qiáng)度被放在積分號(hào)內(nèi)是無(wú)法求出其積分的,這種情況其實(shí)與利用高斯定律求解電荷系統(tǒng)激發(fā)的電場(chǎng)是類似的。

最簡(jiǎn)單的一種電流系統(tǒng)是一根無(wú)限長(zhǎng)的載流直導(dǎo)線,這種電流系統(tǒng)具有以直導(dǎo)線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱電流分布。具有這種對(duì)稱性的電流系統(tǒng)激發(fā)的磁場(chǎng),其空間分布也具有同樣的對(duì)稱性。

如下左圖所示,以載流直導(dǎo)線為軸,電流的流向?yàn)檎较?,建立柱坐?biāo)系。由于導(dǎo)線為無(wú)限長(zhǎng),當(dāng)空間點(diǎn)沿著軸的方向移動(dòng)時(shí),物理狀況不會(huì)發(fā)生改變,因此,磁感應(yīng)強(qiáng)度必定與  無(wú)關(guān);從垂直于軸的截面上看,當(dāng)空間點(diǎn)沿著以導(dǎo)線為中心的圓周移動(dòng)時(shí),物理狀況也是相同的,這導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度與  無(wú)關(guān)。于是,一根無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線激發(fā)的磁場(chǎng)僅僅是離開(kāi)導(dǎo)線的距離  的函數(shù)。

接下來(lái)看磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。由畢奧—薩伐爾定律可知,一個(gè)電流元激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,其方向總是在以電流的延長(zhǎng)線為軸心的圓周的切線方向。整根直電流激發(fā)的磁場(chǎng)自然也就繼承了這個(gè)特征,所激發(fā)的磁場(chǎng)必定沿著以導(dǎo)線為軸心的圓周的切線方向  。

基于以上對(duì)稱性分析,在垂直于導(dǎo)線的截面上,選擇以導(dǎo)線為圓心,過(guò)場(chǎng)點(diǎn)的圓周為積分環(huán)路,路徑的走向與電流的流動(dòng)方向一致,如上右圖所示。在積分路徑的這種選擇下,路徑微分的方向沿著  方向,與磁場(chǎng)同向;在整個(gè)閉合路徑上,磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值是一個(gè)常數(shù)。于是,沿著這條路徑的環(huán)路積分由此得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值:結(jié)合磁場(chǎng)的方向,得到所要求的磁感應(yīng)強(qiáng)度:
結(jié)果發(fā)現(xiàn),磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式與使用對(duì)畢奧—薩伐爾定律直接求積分的方法 (參見(jiàn) “載流直導(dǎo)線激發(fā)的磁場(chǎng)” 一文) 得到的結(jié)果一致。

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