安培定律-计算通电螺线圈内部磁场
0 2023-03-16

毕奥-萨伐尔定律,计算通电导线周围某一点的磁场B。它背后的思想可能要归功于牛顿,是牛顿第一个提出重力场以1/R^2规律衰减,电场也被证明是按照这样规律衰减。接下来,合乎逻辑的推测,磁单极周围的场也同样遵循1/R^2规律衰减。而磁单极只是理论上存在,还没有在真实物理世界找到;这是磁场和电场重要的差别之一,所以他们做实验时是通过测量通电导线周围某点的磁场,发现B与R呈反比、与I呈正比。假定磁单极存在的话(它周围场遵循1/R^2规律衰减),积分后可得出与实验相符合的结论(B与R呈反比);这个积分挺难的、涉及到叉乘,还没搞懂。最后,就像引力、电场力公式里都有个常数一样,他们也在公式里加了个常数(c=1/4*pi*μ0,μ0是真空磁导率)。他们就这样把公式推导出来了,且符合实验数据。一个数例:100A通电导线附近R=0.1m的某点,它的磁场是2G,地球的磁场为0.5G;也就是说如果R=1m时,100A通电导线创造的磁场只有0.2G(因为B按照1/R规律衰减),这时地球的磁场已经完全占了上风。不过毕奥萨伐尔公式计算磁场很不方便,有比他更高级的安培定律,实际上它差不多已经是麦克斯韦方程组的第三个了。


安培定律。我猜它可能是毕奥萨伐尔定律的简化形式,经过一系列数学推导得出的。它的定义我觉得可分为两个部分:第一个是沿着闭合路径对磁场B做积分,任何闭合路径都可以,但路径选不好很难计算的,可能的话,尽量选圆形或者矩形等(选对路径非常关键);第二个为这条闭合路径选择一个曲面,曲面也可以任意选择(可以是简单的平面),找到一条【穿透】这个曲面的电流。代入方程即可求出B。


用安培定律计算通电螺线管内部的磁场非常方便,通过选择合适的闭合路径(一个矩形),进而可算出通电螺线管内部的磁场B=μ0*I*N/L。一个数例,螺线管N=2800,L=0.6m,I=4.5A,通过公式可计算出螺线管内部B=0.026T=260G,比地球磁场强大了520倍了。所以这就是为啥电感和变压器为啥弄成螺线管形式了吧。


洛伦兹力概念相对简单一点,但它的应用挺多的。洛伦兹力是不做功的,因为它垂直于电荷运动的方向,没法改变电荷的动能,但可以改变电荷运动方向。洛伦兹力的方向用右手也能判断,公式里有个叉乘。它的应用挺多的,比如回旋加速器啦、电动机啦、质谱仪等。像质谱仪可以用来区分同种元素不同的同位素:R=sqrt(2mV/q/B^2),当其他条件一样只有m不同时,通过半径R即可区分出不同的同位素;它改变了的历史进程,它帮忙分离轴235制造原子弹;医疗领域也有用到质谱仪区分同位素做化疗等。


补充:昨天发的“电容和电阻”笔记时,最后的补充少提了电容存储的电场的能量,可以直观理解成这样,因为异种电荷是相互吸引的,而电容的两个极板之间的电荷正是异种电荷,他们之间有一定的距离,而把异种电荷从吸引状态拉开一定距离需要做功的;他们之间会有势能,这就是电容储存的能量了。我就是这么理解的哈哈。

这次笔记记的还是挺清楚的吧,重读了一遍,至少安培定律这块还能大致理解。理解它能帮助进一步理解电感元件了,当然它为后面电磁感应做了铺垫。


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