seegongsik
EM-13 · 静磁场

毕奥-萨伐尔定律

磁场由运动的电荷,也就是电流产生。毕奥-萨伐尔定律是求一小段电流在某点产生的微小磁场 dB 的公式。转动试探点,亲眼确认 dB 同时垂直于电流方向和距离方向,并随 sinθ 增大。

转动试探点,观察 dB 的大小

在向上流动的金色电流元周围,用滑块转动试探点,试探点上微小磁场箭头的长度随之改变。在与电流平行的上下方,箭头消失;在垂直于电流的侧面,箭头最长。箭头总是指向电流与试探点所在平面之外,方向与沿着淡色圆环绕电流旋转的方向相同。

测试点角度 θ(与电流的夹角)θ = 50°
拖动旋转,滑块改变试探点的角度 θ。
此点的微小磁场 dB
dB = (μ₀/4π)(I dl sinθ)/r² · 同时垂直于电流与距离方向
B = ∫ dB = (μ₀/4π)∫ I dl × r̂ / r² · 沿电流路径积分
dB 大小(相对最大) · 77%
倾斜

磁场由电流产生

静止的电荷产生电场(EM-03)。电荷运动起来,也就是有电流流动时,周围就会出现另一种场——磁场。把指南针放在导线旁,只有通电时指针才会偏转。磁场不是来自电荷的多少,而是来自电荷的流动。磁铁的磁性也来自原子中的电子,其根源是电子的轨道运动以及电子本身具有的自旋。

毕奥-萨伐尔,微小磁场

把电流流经的路径切成短小的一段,叫作电流元 I dl。毕奥-萨伐尔定律给出这一小段在距离为 r 的点上产生的微小磁场。dB = (μ₀/4π) I dl × r̂ / r²。它的大小与距离的平方成反比,与 sinθ 成正比,θ 是电流方向与指向该点的方向之间的夹角。它的方向同时垂直于电流方向和指向该点的方向,由右手定则确定。比例常数 μ₀ 是真空磁导率。

观察dB ∝ I dl sinθr²
dB 与 sinθ 成正比,与距离的平方成反比。
选择dB ∝ dl × ?
dB 的方向是 dl 与 r̂ 的叉积方向。
填空dB = (μ₀4π) ?
用毕奥-萨伐尔定律求一小段的 dB。

磁场环绕电流

电场从电荷出发向四面八方笔直伸出,磁场却不同。由于叉积 dl × r̂,dB 以电流为轴环绕一周。在与电流平行的上下方(θ=0),sinθ=0,dB 为 0;在垂直于电流的侧面(θ=90°)最强。所以直线电流周围的磁场画出同心圆。把右手拇指指向电流方向,其余四指所指就是磁场旋转的方向。

整体磁场 = 积分

知道一小段的 dB,就沿电流的整条路径,把所有小段的 dB 按矢量相加,得到总磁场。B = ∫ dB。这与 EM-04 中把点电荷的 dE 在电荷分布上积分是完全相同的结构。对无限长直线电流,这个积分简洁地得出 B = μ₀I/(2πr),磁场与距离成反比:一小段虽然与距离的平方成反比,但把无限长的电流全部加起来,次数就降低了一阶。对称性好时,用下一单元的安培定律连这个积分都可以省去。

自己来B = ?
总磁场是沿电流对 dB 的积分。

回到第一屏

在第一个画面里,把试探点移到与电流平行的上下方,dB 消失为 0;移到垂直于电流的侧面,dB 最大。大小随 sinθ 变化。而且 dB 总是从电流与试探点所在的平面中穿出,指向环绕电流的方向,这是叉积 dl × r̂ 的结果。把一小段的 dB 沿电流路径全部相加,就得到总磁场 B。

毕奥-萨伐尔定律给出电流元 I dl 在某点产生的微小磁场 dB。dB = (μ₀/4π) I dl × r̂ / r²,它同时垂直于电流方向和指向该点的方向(右手),与距离的平方成反比,并与 sinθ 成正比。在与电流平行的方向上为 0,在垂直方向上最大。总磁场是沿电流路径积分得到的 B = ∫ dB。
接下来的路

毕奥-萨伐尔积分适用于任何形状的电流,但很费工夫。对称性好时有一条捷径:沿闭合回路把磁场相加得到的 ∮B·dl 与穿过该回路的电流成正比,这就是安培定律(EM-14)。就像静电学中的高斯定律那样,它不用积分就能求出直导线、螺线管和环形线圈的磁场。