Закон Био-Савара-Лапласа
В 1820 г. Био и Савар исследовали магнитные поля, создаваемые токами, текущими по тонким проводам различной формы. Путем анализа этих экспериментальных данных Лаплас установил закон, получивший название закона Био-Савара-Лапласа:
1) Магнитное поле любого тока может быть найдено как векторная сумма полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока. Каждый элемент тока характеризуется величиной , где - сила тока, текущего в этом элементе, - длина элемента тока, а вектор указывает направление тока.
2) Для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока Лаплас получил выражение
(6.4)
где - радиус-вектор, проведенный из точки расположения элемента тока в точку наблюдения, где определяется индукция , (см. рис. 6.3), - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения и магнитных свойств среды, где протекает ток; в системе СИ для вакуума
где - магнитная проницаемость вакуума, измеряемая в .
Модуль выражения (6.4) равен
(6.5)
где - угол между векторами и .
Рис. 6.3. К формулировке закона Био-Савара-Лапласа
Применим формулу (6.5) для вычисления магнитного поля, создаваемого током, текущим по тонкому прямолинейному проводу теоретически бесконечной длины (см. рис. 6.4).
Рис. 6.4.
Векторы от всех элементов тока прямолинейного провода в точке наблюдения направлены одинаково – за плоскость чертежа. Точка наблюдения находится на расстоянии от провода. Согласно рис. 6.4,
Эти выражения подставим в (6.5):
При движении вдоль провода угол изменяется в пределах от до . Поэтому
(6.6)
Линии индукции магнитного поля - касательные к вектору индукции в каждой точке. Для прямолинейного провода с током эти линии представляют собой концентрические окружности, охватывающие провод, как показано на рис. 6.5. Плоскости окружностей перпендикулярны к проводу.
Рис. 6.5. Линии индукции магнитного поля
прямолинейного провода с током
Направление обхода линий индукции задается вектором индукции магнитного поля. Это направление связано с направлением тока в проводе по правилу правого винта, как видно из рис. 6.5.
Применение принципа суперпозиции и формулы (6.4) позволяет найти индукцию магнитного поля, создаваемого постоянным током силой , который течет по замкнутому контуру :
(6.7)
где - радиус-вектор, проведенный от элемента тока к точке наблюдения, где вычисляется вектор .
Формула (6.7) применима для линейного тока. Пусть постоянный ток распределен в объеме с плотностью . Переход от линейного тока к объемному току поясняет рис. 6.6, где показан элемент тонкого проводника длиной и поперечным сечением .
Рис. 6.6.
Объем элемента равен . Связь силы тока с плотностью тока в проводнике дается формулой , откуда , или в векторном виде
(6.8)
С учетом (6.8) из (6.7) выражаем индукцию магнитного поля, созданного объемными токами, распределенными в объеме как
(6.9)