通電直導線的磁場方向我們可以通過右手定則判斷出來。也可以在導線周圍放置磁鐵判斷出來方向,她們會排成乙個圓圈,假設這個圓圈的半徑是 \(r\) 。
通過實驗可知,磁感應強度大小和電流成正比,和半徑成反比。這也符合直觀上認識。
怎麼計算通電直導線周圍空間中某點磁感應強度呢?
如果有小電流元 \(dl\) ,在距離為 \(r\) 的一點產生的磁場是多少?
假設兩點之間的方向單位向量為 \(\hat\) 。
根據右手定則判斷通電直導線的磁場方向,可以知道b垂直紙面向裡。
每個小單元 \(dl\) 在 \(r\) 點貢獻的磁場的大小可以用畢奧-薩法爾定律得出:
\[\text=\frac} * \hat\right)}
\]其中 \(c\) 是常數。國際單位中 \(c=10^\) 。也可以寫成
\[c=\frac
\]\(\mu _0\) 為真空磁導率。
\(db\) 與電流大小成正比,與導線長度 \(dl\) 成正比,與距離的平方成反比。為了得到正好垂直於紙面的方向,我們需要叉乘單位向量 \(\hat r\) .
對每段 \(dl\) 積分,我們就能得出整段導線在 \(r\) 點產生的磁感應強度。
如果磁單極存在的化,磁單極周圍的磁感應強度就會按 \(\frac\) 規律下降,以前在點電荷的靜電場中,電場也是按 \(\frac\) 規律下降,重力場也是。(啊感覺物理又統一了有沒有)。可惜的是沒有目前沒有發現磁單極。
在通電直導線中,假設導線上任意一點距離某點距離為 \(r\) ,該點與導線垂直距離為 \(r\) 。
利用畢奧薩法爾定律,可得每段微小單元dl在r點產生磁場的大小,然後對整段長度積分,可得
\[b=\int \frac \, dl
\]其中,我們根據三角函式關係,又可以得到
\[δl=r \cot (\theta )
\]\[r=r \sin (\theta )
\]代入可得
\[\begin
b&=\int \frac \, dl\\
&=\frac \int_{}^{} \frac \, d(r \cot (\theta ))\\
&=\frac \int_^ -\frac (\theta )} \, d\theta\\
&=\frac \int_^ -\frac \, d\theta\\
&=\frac \int_^ -\sin (\theta ) \, d\theta\\
&=\frac (cos(\theta_1)-cos(\theta_2))\\
\end
\]若導線為無窮長(r《 l ),則 \(\theta_1 =0,\theta_2 = \pi\)
所以\[\begin
b&=\frac (cos(\theta_1)-cos(\theta_2))\\
&=\frac (1-(-1))\\
&=\frac\\
\end
\]無限長載流導線周圍的磁感應強度的大小與場點到導線的距離成反比。按 \(\frac\) 比例下降。
也可以通過畢奧薩法爾定律計算圓型載流導線中心的磁場。
用右手定則我們可以知道中心磁場方向是向上的。
根據畢奧薩法爾定律,可得電流環中心總的磁場為:
\[b=\int \frac \, dl
\]由於圓的性質,單位向量 \(\hat r\) 與 $ dl$ 總是垂直的,所以夾角的正弦就是1。圓的周長我們很輕鬆地可以計算出來 $2 \pi r $
所以\[b=\frac} *2 \pi r =\frac
\]如果對於乙個閉合曲面,定義向外為正法線的指向,則進入曲面的磁通量為負,出來的磁通量為正,那麼就可以得到通過乙個閉合曲面的總磁通量為0。這個規律類似於電場中的高斯定理,因此也稱為高斯定理。
也就是說,對任意閉合面對 \(bda\) 做積分求磁通量,結果總是0.
\[\oint \overset \overset}=0
\]因為靜電場是有源場,它的電場線不會閉合,所以對乙個封閉曲面的通量不一定為0;而穩恆磁場是無源場,它的磁場線是封閉的,有多少條磁場線穿出曲面,相應就有多少條磁場線穿進曲面,所以磁場對乙個封閉曲面的通量恒為0。用比較專業的場論術語來說,就是:靜電場是有源場,散度一般不為0;穩恆磁場是無源場,散度恒為0
高斯磁定定理,告訴我們磁單極子不存在。磁的基本實體是磁偶極子,而不是磁荷。(找到磁單極,可能這條結論就會被改寫)。
這時麥克斯韋方程組的第二個方程。
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