安培环路定理

更新时间:2024-04-03 17:51

在稳恒磁场中,磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分,等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率。这个结论称为安培环路定理(Ampere circuital theorem)。

简介

它的数学表达式是

按照安培环路定理 ,环路所包围电流之正负应服从右手螺旋法则。如果闭合路径l包围着两个流向相反的电流I1和I2( 如图1所示)

按图1中选定的闭合路径l 的绕行方向,B矢量沿此闭合路径的环流为

如果闭合路径l包围的电流等值反向,或者环路中并没有包围电流,则:

积分形式

电流I在一个曲面 上的通量,等于B场沿着 的边缘闭合回路 的路径积分。采用国际单位制,原版安培定律的积分形式可以写为:

请注意到这方程有些模糊之处,需要特别澄清:

第一,边界曲线 的正向与曲面 的侧符合右手规则。

第二,(固定 )定理之成立与以 为边界 的的选择无关。

安培定律可由毕奥-萨伐尔定律和磁场的叠加性证明(请参阅毕奥-萨伐尔定律)。在静磁学中,安培定律的角色与高斯定律静电学的角色类似。当系统组态具有适当的对称性时,我们可以利用这对称性,使用安培定律来便利地计算磁场。例如,当计算一条直线的载流导线或一个无限长螺线管的磁场时,可以采用圆柱坐标系来匹配系统的圆柱对称性。

微分形式

根据开尔文-斯托克斯定理,这方程也可以写为微分形式。只有当电场不含时间的时候,也就是说,当电场对于时间的偏微分等于零的时候,这方程才成立。采用国际单位制,这方程表示为

磁场 的旋度等于(产生该磁场的)传导电流密度 。

缺点

原版安培定律只适用于静磁学。在电动力学里,当物理量含时间,有些细节必须仔细检查。思考安培方程,

其中, 是B场, 是磁常数, 是总电流。

散度于这方程,则会得到

应用一个矢量恒等式,旋度的散度必定等于零。所以,

这意味着电流密度的散度等于零:

静磁学内,这是正确的。但是,出了静磁学范围,当电流不稳定的时候,这就不一定正确了。

一个正在充电的电容器,左边的圆形金属板,被一个假想的封闭圆柱表面 包围。这圆柱表面的右边表面 处于电容器的两块圆形金属板之间,左边表面 处于最左边。没有任何传导电流通过表面 ,而有电流 I通过表面 。

举个经典例子,一个正在充电的电容器,其两片金属板会随着时间分别累积异性电荷。设定表面 的边缘为闭合回路 。应用安培定律,

在这里, 是通过任意曲面的电流,只要这曲面符合一个条件:边缘为闭合回路 。所以,这任意曲面可以是表面 ,而 是I;或者这任意曲面可以是封闭圆柱表面减去左边表面 ,而由于通过这任意曲面的电流是 0, 是0。选择不同的曲面会得到不同的答案,这在物理学里,是绝对不允许发生的事。

为了解决上述难题,安培定律必须加以修改延伸。应用流体力学的方法,麦克斯韦摹想磁场为电介质涡旋(vortex)大海,而位移电流即为大海内的电极化电流。在他于1861年发表的论文《论物理力线》里面,麦克斯韦将位移电流项目加入了安培定律。

证明方法

如果在某个载流导体的稳恒磁场中可以找到一条闭合环路l,该环路上的磁感强度B大小处处相等,B的方向和环路的绕行方向也处处同向,载流长直螺线管内磁场 应用安培环路定理 忽略了左右下的部分,证明并不是在环路上B的大小处处相等环路方向与磁感应强度方向相同处,B的大小方向处处相等。

对称环路

在垂直于长直载流导线的平面内,以载流导线为圆心作一条半径为r 的圆形环路l,

则在这圆周上任一点的磁感强度H的大小为

其方向与圆周相切.取环路的绕行方向为逆时针方向,取线元矢量dl,则H与dl间的夹角 ,H沿这一环路 l 的环流为

式中积分 是环路的周长。

于是上式可写成为

从上式看到,H沿此圆形环路的环流 只与闭合环路所包围的电流I 有关,而与环路的大小、形状无关。

任意环路

在垂直于长直载流导线的平面内,环绕载流直导线作一条任意环路l,取环路的绕行方向为逆时针方向。

在环路上任取一段线元dl,载流直导线在线元dl处的磁感强度B大小为

H与dl的夹角为 ,则H对dl的线积分为

直导线中心向线元的张角为 ,则有 ,所以有

可见,H对dl的线积分与到直导线的距离无关。

那么B对整个环路的环流值为

上述计算再次说明H的环流值 与环路的大小、形状无关。

不包围电流

在垂直于长直载流导线的平面内,在载流直导线的外侧作一条如图2所示的任意环路l,取环路的绕行方向为逆时针方向。

以载流直导线为圆心向环路作两条夹角为 的射线,在环路上截取两个线元 和 。 和 距直导线圆心的距离分别为 和 ,直导线在两个线元处的磁感强度分别为 和 。从图2可以看出 ,而 。利用安培环路定理的证明之二的结论可知

结论

所以有:

从载流直导线中心O出发,可以作许多条射线,将环路分割成许多成对的线元,磁感强度对每对线元的标量积之和,都有上式的结果,故 即环路不包围电流时,B的环流值为零。

安培环路定理反映了磁场的基本规律。和静电场的环路定理 相比较,稳恒磁场中B 的环流 ,说明稳恒磁场的性质和静电场不同,静电场是保守场,稳恒磁场是非保守场。

计算应用

利用安培环路定理求磁场的前提条件:如果在某个载流导体的稳恒磁场中,可以找到一条闭合环路l,该环路上的磁感强度B大小处处相等,B的方向和环路的绕行方向也处处同向,这样利用安培环路定理求磁感强度B的问题,就转化为求环路长度,以及求环路所包围的电流代数和的问题,即

利用安培环路定理求磁场的适用范围:在磁场中能否找到上述的环路,取决于该磁场分布的对称性,而磁场分布的对称性又来源于电流分布的对称性。因此,只有下述几种电流的磁场,才能够利用安培环路定理求解。

1.电流的分布具有无限长轴对称性

2.电流的分布具有无限大面对称性

3.各种圆环形均匀密绕螺绕环

利用安培环路定理求磁场的基本步骤

1.首先用磁场叠加原理对载流体的磁场作对称性分析;

2.根据磁场的对称性和特征,选择适当形状的环路;

3.利用公式求磁感强度。

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