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      無限長密繞通電螺線管磁場簡明計算

      2017-11-16 05:31:04李永樂
      物理通報 2017年11期
      關(guān)鍵詞:角向安培螺線管

      李永樂

      (中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

      無限長密繞通電螺線管磁場簡明計算

      李永樂

      (中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

      通過對稱性、磁場無源特點(diǎn)和安培環(huán)路定理,討論了無限長密繞通電螺線管內(nèi)外的磁場簡明計算方法.

      通電螺線管 磁場 安培環(huán)路定理

      針對無限長密繞螺線管內(nèi)外的磁場已有諸多討論[1],本文討論一種沒有采用由載流圓線圈軸線上磁場積分的方法,論證該種螺線管只在內(nèi)部產(chǎn)生軸向勻強(qiáng)磁場的合理性.

      1 密繞螺線管磁場分解

      為了突出螺線管磁場最典型的特點(diǎn),將密繞螺線管的電流近似看作在半徑為R的圓柱體上一系列的環(huán)形面電流,如圖1所示,這種簡化方法忽略了沿著螺線管軸向的電流.在螺線管單位長度匝數(shù)很大時,這種近似是合理的.

      圖1 將密繞螺線管簡化為環(huán)形面電流

      螺線管內(nèi)外任意一點(diǎn)的磁場均可分解為3個方向:軸向Bz,徑向Br和角向Bθ,如圖2所示.螺線管無限長,由對稱性可知任意位置磁場大小都與坐標(biāo)z和θ無關(guān),僅可能是r的函數(shù):在與螺線管軸線距離r相同處,磁場各分量的大小相同.

      圖2 通電螺線管內(nèi)外磁場的分解

      2 徑向磁場Br等于零

      如圖3所示,在螺線管內(nèi)取一個同軸封閉圓柱,圓柱兩個底面為S1和S2,側(cè)面為S3.

      角向磁場分量Bθ不會穿透圓柱面,軸向分量Bz在兩個底面S1和S2處穿透柱面;徑向磁場Br在圓柱側(cè)面上穿透圓柱面.根據(jù)麥克斯韋方程組

      ?Bz·dS1+?Bz·dS2+?Br·dS3=0

      (1)

      圖3 在螺線管內(nèi)部取封閉圓柱

      由于Bz場在S1和S2處完全相同,故

      ?Bz·dS1+?Bz·dS2=0

      (2)

      這里Br與圓柱側(cè)面處處垂直,且大小固定

      ?Br·dS3=BrS3

      (3)

      將式(2)、(3)代入式(1),得到Br=0.

      由于圓柱面半徑可任意選取,因此螺線管內(nèi)部徑向磁場處處為零.

      求解螺線管外部磁場時,只需將封閉圓柱面半徑取得超過螺線管大小,則可以得出相同的結(jié)果:螺線管外部徑向磁場處處為零.

      3 角向磁場Bθ等于零

      在螺線管內(nèi)部取如圖4所示與螺線管同心的封閉圓形曲線C1,C1并未包圍任何電流,沿C1列安培環(huán)路定理.

      ∮B·dl=∮Bθ·dl=0

      (4)

      圖4 在螺線管內(nèi)外取同心圓環(huán)

      在圓環(huán)C1上各處Bθ沿著曲線且大小處處相等,∮Bθ·dl=Bθ×2πr=0,因此Bθ=0.

      由于圓環(huán)半徑r可以任意選取,故螺線管內(nèi)部磁場的角向分量處處為零.

      如圖4所示取大于螺線管的的封閉圓圈C2,對C2列安培環(huán)路定理,同理可得螺線管外部磁場角向分量處處為零.

      4 軸向磁場Bz勻強(qiáng)

      如圖5所示,在螺線管內(nèi)部取矩形回路ABCD,其中AD和BC沿著徑向.設(shè)AB處軸向磁場為Bz1,CD處軸向磁場為Bz2,由于回路并未包圍任何電流,在回路上列安培環(huán)路定理

      (5)

      圖5 在螺線管內(nèi)外取矩形回路

      由Br=0, 有

      (6)

      設(shè)AB=CD=L,并設(shè)Bz向右為正,則

      (7)

      將式(6)、(7)代入式(5)得到

      ∮B·dl=(Bz1-Bz2)L=0

      因此

      Bz1=Bz2

      由于ABCD可以任取,因此螺線管內(nèi)部磁場的軸向分量Bz處處相同.

      在螺線管外部,可同理取閉合矩形A′B′C′D′,同樣得到Bz處處相同.

      5 螺線管外部磁場為零

      如圖6所示,取垂直于螺線管軸線的無限大平面,平面在螺線管內(nèi)部面積S1,在螺線管外部面積S2.由于磁場的無源性質(zhì),穿過該無限大平面的磁通量為零φ=0,即內(nèi)部向右穿過S1的磁感線,必然通過外部S2穿回平面左側(cè).

      圖6 取垂直軸線的無限大平面

      由于螺線管內(nèi)外都是軸向勻強(qiáng)磁場,有

      φ=B內(nèi)S1-Bz外S2=0

      式中S1為有限值,而S2為無窮大,故

      即無限長螺線管外部磁場處處為零.

      6 螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μ0nI

      如圖7所示,取一邊在螺線管內(nèi),一邊在螺線管外的矩形閉合回路ABCD,AD和BC沿著螺線管徑向,AB和CD平行軸線.設(shè)AB=CD=L,每一匝電流為I0,單位長度匝數(shù)為n,則回路包圍的電流I=nLI0.

      圖7 取一邊在內(nèi)一邊在外的矩形回路

      因螺線管只在內(nèi)部產(chǎn)生軸向勻強(qiáng)磁場,由安培環(huán)路定理

      可得

      B內(nèi)=μ0nI0

      7 結(jié)束語

      本文首先將無限長密繞螺線管的磁場分解,并討論出螺線管內(nèi)外的徑向、角向磁場都為零,軸向磁場都均勻,再通過磁場無源性質(zhì)討論出螺線管外部磁場為零.最后根據(jù)安培環(huán)路定理得出螺線管內(nèi)部磁場的表達(dá)式.討論過程沒有采用由載流圓線圈軸線上磁場積分的方法,更容易被初學(xué)者接受.

      1 劉國良. 無限長密繞載流螺線管中磁場分布教學(xué)的不同設(shè)計. 物理通報, 2016(5):9~11

      2017-04-02)

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