在上一个连载里面,我们正式步入了磁场的大门。我们了解了 磁场的高斯通量定理 —— 闭合曲面的磁通量是0! 也顺带导出了 MaxwellMaxwell 关于磁场部分的方程:
【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 10】
可是,我们目前看起来只是定性地看了看磁场的性质,那么具体而言,磁场应该如何计算呢?


其实,根据之前的连载,我们知道:电场和磁场是两个非常相似的兄弟,对于电场的分析思路放在磁场中也基本类似。那么我们想啊——在电场的分析中,是微元电荷产生了电场,并且电荷元之间有库仑力的作用。那么磁场里面呢?

答案是:在磁场中,由电流元产生磁场,并且电流元之间也有力的作用!而这种力,我们称之为安培力

我们先来看看库仑力的微分形式:
【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 10】
而现在在磁场里面,就不是电荷元了,要换成微元电流

那么,什么是微元电流呢?我们看下面的图就知道了——

【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 10】
上图展示的是两个闭合电流环之间产生的力的作用。如果变成微分形式,那么就是 线圈1(左边蓝色线圈)的一小段电流对线圈2(右边绿色线圈)的一小段电流所产生的力的作用。 那么这两个小段分别携带的电流就是:I1dl1I_1dl_1I2dl2I_2dl_2,由于小线段还有方向,所以变成 dl1ˉ,dl2ˉ\bar{dl_1}, \bar{dl_2}

另外,在磁场中我们不用介电常数 ε0ε_0,而是用磁导率μ0μ_0,那么自然而然地,我们就可以类比得到电流元1对电流元2的安培力公式:
【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 10】
只不过在电场里面是点乘,现在在磁场里面换成了叉乘罢了。那么,我们就可以写出整个线圈之间的作用力:用线积分就好了!
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到这里,安培力定理就推导出来了。但是一样的思想,我们想:安培力定律只告诉了我们两个通电电流环之间有力的作用,也告诉了我们力的大小、方向如何求解。但是它没有说明是什么传递了这样一种力。

读到这儿,相必大家都知道了——是磁场传递了这样一种力的作用。 根据这样的观点,我们将安培力定律变形一下,有:
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我们令:
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这个就表示线圈1在其周围产生的磁感应强度。这也就是大名鼎鼎的比奥-萨法尔定律

【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 10】

另外插一句:大家需要掌握的是长直导线周围产生的磁场的计算、圆环导线在其轴线上产生的磁场以及圆盘的。他们最终在柱坐标系下都喜欢化成对角度 θθ 的积分。

有了比奥-萨法尔定理,原则上我们可以计算任何分布电流所产生的磁场。不过,我们上面所讨论的,只是线电流。那么,如果是面电流、体电流的话怎么办呢?—— 想必大家也猜到了,我们就有对应的面电流密度体电流密度,我们在下一个连载详细地分析它。

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