電磁學13 廣義安培環路定理

2022-06-20 02:39:06 字數 2554 閱讀 7838

導線連線圓形電容,電容半徑為 \(r\) ,通電的時候,會在電容內部產生乙個變化的電場e。

靜態時,我們可以計算電容內部電場為

\]但由於給電容通電,\(q_\) 在不斷增加,電場變化的,為 \(\frac}}\) ,根據電流定義:

\[i=\frac_}}}

\]可得變化的電場為

\]只有電流為0時,電容內部才沒有變化的電場。

通電瞬間,中間有電介質電容,電荷在極板上不斷聚集,同時電介質不斷的極化,感應電荷不斷重新排列(電荷移動——內部有電流),當極板上的正負電荷達到一定程度,與電源提供的電場大小相同時,電荷不再聚集,電介質不再極化時,此時電流就為0。但是在真空電介質中,電容內部是沒有電流的。

在距離導線 \(r\) 處取一點 \(p_1\) ,在電容上方距離導線相同距離的地方取一點 \(p_2\)。

我們關心的是,\(p_1\) 和 \(p_2\) 點的磁場是多少?由於電容是開口的,沒有電流流過,怎麼計算?

計算磁場大小,我們前面學過了畢奧薩法爾定律和安培定律,理論上畢奧薩法爾定律可以計算,但是電流會流到電容圓形極板上,顯然很難計算。故用安培定律計算。

選擇半徑為 \(r\) 的閉合圓環應用安培定律,給圓環加上乙個開曲面,先可以直接選擇這個平面。

應用安培定律可得

\[b_\ 2 \text=\mu _0 i\]故

\[b_=\frac}

\]依然選擇半徑為 \(r\) 的閉合圓環應用安培定律,但給圓環加上乙個穿過電容內部的開曲面,因為電容內部是開路的,沒有電流穿過開曲面。

應用安培定律

\[b_\ 2 \text=\mu _0 0

\]現在計算結果為0。

同 \(p_1\) 一樣,選擇半徑為 \(r\) 的閉合圓環,給圓環加上乙個開曲面,先可以直接選擇這個平面。

應用安培定律

\[b_\ 2 \text=\mu _0 0\]故

\[b_=0

\]顯然出錯了,計算有問題。

這說明,安培環路定律不夠完善。前面的安培環路定律只能研究恆定磁場與直流(傳導電流)之間的關係。

麥克斯韋大佬作出了解釋。他認為不論閉合曲線包圍的開曲面形狀如何,都應該得到相同的結果。

麥克斯韋對安培定律進行了完善。

他推理,法拉第定律指出,變化的磁通量會激發電場,那麼也許變化的電通量會激發磁場

開曲面中電通量為

\[\phi _e=\underset\ \text}\overset \overset}

\]電容有「電流""時,必須有變化的電場。麥克斯韋提出,我們必須加上電通量的導數。

\[\frac_e}}

\]修正的安培環路定理:

\]其中

\]麥克斯韋將這一項記為 "位移電流" 。

實際上後面還需要修正。

但現在我們得到計算磁場的工具。

計算\(p_1\) 處磁感應強度

如果直接選擇圓環內平面作為開曲面,沒有電場穿過開曲面,顯然位移電流項為0,故

\[b_=\frac}

\]如果選擇乙個穿過電容內部的開曲面,沒有電流穿過開曲面,第一項電流為0,第二項加入電通量的導數,假設電容沒有邊緣場,則電通量就是 $ e \pi r^2$ ,

\[\begin

&=\mu _0 i

\end

\]可得

\[b_=\frac}

\]結果相同。

一種是位移電流項沒有貢獻,一種是傳導電流項沒有貢獻。

現在我們可以計算電容內部任何地方的磁場。

假設 \(p_2\) 在距離導線 \(r的距離,直接選擇圓環內平面作為開曲面,有電場穿過。

應該修正後的安培環路定理,注意開曲面表面積是 \(\pi r^2\)

\[\begin

&=\mu _0 i

\end

\]可得

\[b_=\frac}

\]我們可以畫出電容磁感應強度關於距離 \(r\) 曲線圖

但實際上,接近邊緣時是不正常的(方框,也就是 $r=r $),因為我們假設了邊緣場為0,不同電容有不同的邊緣場,很難準確計算,所以很難改正。

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