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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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)