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圓柱形電流激發(fā)的磁場

 cosmos2062 2024-12-09 發(fā)布于廣東

利用安培環(huán)路定理求解圓柱形電流激發(fā)的磁場,要比使用對畢奧-薩伐爾定律直接求積分的方法簡便得多。

利用安培環(huán)路定理可以求解比無限長直電流更復雜的電流系統(tǒng)激發(fā)的磁場,最基礎的一種情況是一個半徑為 的無限長載流圓柱面。

如下左圖所示,以圓柱面的軸線為軸,沿電流流動的方向建立柱坐標系。與無限長直電流類似,磁感應強度與 無關,其數(shù)值與 無關,并且不難論證,磁場的方向沿 的方向。

將載流圓柱面沿圓柱面的母線分割成無數(shù)根無限長的直電流,每一根電流將在所考慮的空間點 激發(fā)一個磁場。如上右圖所示,在垂直于圓柱面的平面上,設想有一根電流 點激發(fā)了一個磁場,它的方向與 連線垂直。不難明白,在圓柱面上,總有一根與電流 關于徑向 連線對稱的電流 ,它在 點激發(fā)的磁場與 激發(fā)的磁場關于 點處的 對稱,從而導致與 垂直的分量相消。當我們對圓柱面上全部直電流在 點激發(fā)的磁場求和時, 點處的磁場就只剩下 方向的分量相疊加了,垂直于 的分量全部相消。

根據(jù)以上分析,取以軸線為中心、過場點 的圓周作為環(huán)路積分的積分路徑,路徑的走向與電流的方向一致。于是,磁感應強度的環(huán)路積分



由于載流圓柱面將空間分隔成兩個區(qū)域,因此,需要對這兩個區(qū)域分別進行討論。在 的區(qū)域,沒有電流穿過積分環(huán)路,這導致該區(qū)域內的磁感應強度等于零;在 的區(qū)域,積分環(huán)路包圍了整個載流圓柱面,積分環(huán)路內的總電流強度為 。結合兩個區(qū)域的電流分布特點,得到磁感應強度的空間分布:結果發(fā)現(xiàn),在載流圓柱面外,磁感應強度的空間分布與軸心上的一根無限長載流直導線激發(fā)的磁感應強度相同。

圓柱面的一個簡單拓展是實心圓柱體。設想有一根半徑為 的無限長圓柱導體,其上載有均勻分布的電流 ??梢詫A柱體分割成以軸線為公共軸、半徑各不相同的薄圓柱面,對這些薄圓柱面激發(fā)的磁場求和,就得到圓柱體激發(fā)的磁場。除了求和的方法外,還可以利用對稱性,由安培環(huán)路定理求出磁感應強度,這是一種獨立于求和法的方法。

要用安培環(huán)路定理求解問題,首先要分析問題的對稱性。前面已經(jīng)對圓柱面的對稱性作了分析,由圓柱面的對稱性自然就可以得出,圓柱體也必定具有同樣的對稱性。當然,也可以像分析圓柱面的對稱性那樣對圓柱體做對稱性分析。完成了對稱性分析后,就可以根據(jù)問題的對稱性選擇適當?shù)姆e分環(huán)路。由于與圓柱面有相同的對稱性,選擇積分環(huán)路和劃分空間區(qū)域自然也就一樣了。這兩件事情就交給大家去完成吧,下面只給出推導的過程以及結果。

先計算磁感應強度的環(huán)路積分,積分的具體實施與直導線和圓柱面的情況相同,結果就是 (1) 式。積分完成后,再考慮在不同的空間區(qū)域中,積分環(huán)路所包圍的總電流強度。在 的區(qū)域,積分環(huán)路包圍了整個圓柱體,環(huán)路內的總電流強度為 ;在 的區(qū)域,積分環(huán)路只包圍了圓柱體的一部分,其中的電流強度由此得到磁感應強度的空間分布:

我們再一次看到,在軸對稱電流系統(tǒng)的外部,僅僅通過測量磁感應強度,不可能分辨出電流系統(tǒng)的內部結構。

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