Применение теоремы о циркуляции вектора В к расчету магнитных полей

Теорема о циркуляции вектора В имеет в учении о магнитном поле такое же значение как теорема Гаусса в электростатике, так как позволяет находить магнитную индукцию поля без применения закона Био-Савара-Лапласа.

1). Продемонстрируем справедливость теоремы о циркуляции вектора В на примере магнитного поля прямого тока 1, перпендикулярного плоскости чертежа и направленного к нам (рис. 13). Представим себе замкнутый контур в виде окружности радиуса r. В каждой точке этого контура вектор В одинаков по модулю и направлен по касательной к окружности. Следовательно, циркуляция вектора В равна

Рис.13. Рис.14.

Согласно выражению (9.2), получим В 2π r = μ_o I (в вакууме), откуда В = μ_o I /(2π r).

Таким образом, исходя из теоремы о циркуляции вектора В, получили выражение для магнитной индукции поля прямого тока, выведенное выше (2.6).

2). Рассчитаем индукцию магнитного поля внутри соленоида – цилиндрической катушки, состоящей из большого числа витков равномерно намотанных на общий сердечник. Рассмотрим соленоид длиной l, имеющий n витков, по которому течет ток I (рис.14). Длину соленоида считаем во много раз большей, чем диаметр его витков, т.е. рассматриваемый соленоид бесконечно длинный. Экспериментальное изучение магнитного поля соленоида, проведенное с помощью железных опилок показывает, что внутри соленоида поле является однородным, вне соленоида неоднородным и очень слабым, т.е. его можно практически считать равным нулю.

Циркуляция вектора В по замкнутому контуру, совпадающему с одной из линий магнитной индукции, АВСDА, и охватывающему все n витков согласно (9.2), равна

. (10.1)

Интеграл по АВСDА можно представить в виде двух – по внешнему участку ABCD (он равен нулю, так как вне соленоида В =0) и по внутреннему DA.

.

На участке DА циркуляция вектора В равна Вl (контур совпадает с линией магнитной индукции); следовательно,

.

Отсюда приходим к выражению для магнитной индукции поля внутри соленоида (в вакууме):

B = μ _o nI / l. (10.2)

Получили, что поле внутри соленоида однородно.

3). Важное значение для практики имеет также магнитное поле тороида – кольцевой катушки, витки которой намотаны на сердечник, имеющий форму тора. Магнитное поле сосредоточено внутри тороида, вне его поле отсутствует. Тороид можно рассматривать как достаточно длинный соленоид свитый в кольцо и для расчета напряженности магнитного поля тороида пользоваться формулой (10.2):

В = μ _o nI / l = μ _o nI /(2 πr). (10.3)

Причем длину тороида l следует считать по средней линии, пренебрегая небольшим различием между внешней и внутренней окружностями кольца.