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毕奥-萨伐尔定律

真空中电流元产生的磁感应强度为:

dB=μ04πIdl×err2

其中, μ0真空磁导率,其值为 4π×107Tm/A

dB 的大小为

dB=μ04πIdlsinθr2

其中, θdler 的夹角。

因此电流元产生的磁场与电流元的大小正比,与距离的平方反比
库仑定律一样满足反比平方定律。 方向由右手螺旋定则确定。

毕奥-萨伐尔定律的应用

直导线

在真空中有一段长为 L 的直导线,电流为 I。 场点 P 到直导线的垂直距离为 a,两端与电流方向的夹角分别为 θ1θ2

B=dB=μ04πIdlsinθr2

其中 r = asinθl=acotθ,则 dl=asin2θdθ。 将 ldl 代入上式,得

sB=μ04πIθ1θ2sinθa2/sin2θasin2θdθ=μ04πaIθ1θ2dθ=μ04πaI(cosθ1cosθ2)
  1. 无限长直导线
    • θ1=0
    • θ2=π
    • B=μ02πaI
  2. 半无限长直导线
    • θ1=π2
    • θ2=π
    • B=μ04πaI
  3. 导线延长线上的磁场
    • θ1=θ2=π
    • B=0

载流圆线圈轴线上的磁场

在真空中有一半径为 R,载流量为 I 的圆线圈,场点 P 在圆线圈轴线上,到圆线圈中心的距离为 x

dB=μ04πIdlr2

dB=dBsinθdB=dBcosθ

由于对称性,dB 的积分为零,只需计算 dB 的积分。

B=dB=μ04πIdlsinθr2

式中 sinθ=Rr

B=μ0IR4πr302πRdl=μ0IR22r3

由于 r2=R2+x2,则

B=μ0IR22(R2+x2)3/2

方向满足右手螺旋定则关系。

  1. x=0,即场点在圆线圈中心,则 B=μ0I2R
  2. 若载流导线为一段圆弧,则在其圆心处产生的磁场 B=μ0I2Rθ2π
  3. xR,则 B=μ0IR22x3

磁偶极子

定义圆电流的磁矩为

m=IS

单位为 Am2

由于 S=πR2,结合载流圆线圈轴线上的磁场公式,得

B=μ0m2πx3

该式与静电场中的电偶极子的电场强度表达式相似,而且磁感应线分布也与电偶极子的电场线分布相似,因此我们将圆电流称为磁偶极子

载流直螺线管轴线上的磁场

可以视作无限多个载流圆线圈的叠加 设 P 为轴线上一点,到螺线管一端的距离为 x,螺线管的半径为 R,载流量为 I,单位长度上有 n

螺线管示意图

dB=μ02R2dI(R2+x2)3/2=μ02R2nIdx(R2+x2)3/2B=dB=μ02R2nIdx(R2+x2)3/2

到螺线管某个微分点的距离为 r,夹角为 θ
根据几何关系知:

r2=R2+x2,rsinθ=R,x=Rtanθ,dx=Rdθsin2θ

代入上式,得

dB=μ02R2nI(R/sinθ)3Rdθsin2θ=μ02nIsinθdθ

故得 P 点的磁场为

B=μ02nIθ1θ2sinθdθ=μ02nI(cosθ1cosθ2)
  1. LR 时,螺线管近似为无限长,即 θ1=πθ2=0,则 B=μ0nI
  2. P 点在任意一端的中心口处,且 LR,则有 θ1=π/2θ2=0θ1=πθ2=π/2,则 B=μ02nI

可见半无限长螺线管的磁场强度是无限长螺线管磁场强度的一半。

大学物理AII 学习笔记