在
静磁学中,毕奥-萨伐尔定律(英文:Biot-Savart Law)描述
电流元在空间任意点P处所激发的
磁场。
定义
在
静磁学中,毕奥-萨伐尔定律(英文:Biot-Savart Law)描述
电流元在空间任意点P处所激发的
磁场。
定律文字描述:电流元Idl在空间某点P处产生的
磁感应强度dB的大小与电流元Idl的大小成正比,与电流元Idl所在处到P点的
位置矢量和
电流元Idl之间的夹角的
正弦成正比, 而与电流元Idl到P点的距离的平方成反比。
该定律在静磁近似中是有效的,并且与
Ampère的电路规律和磁性
高斯定律一致,以Jean-Baptiste Biot和FélixSavart命名。
背景
毕奥-萨伐尔定律是由H.C.奥斯特实验(见
电流磁效应)引出的,这个实验表明,长直载流导线对磁极的作用力是
横向力。为了揭示电流对
磁极作用力的普遍定量规律,J.B.毕奥和F.萨伐尔认为
电流元对磁极的作用力也应垂直于电流元与磁极构成的平面,即也是横向力。他们通过长直和弯折载流导线对磁极作用力的实验,得出了作用力与距离和弯折角的关系。在P.S.M.
拉普拉斯的帮助下,经过适当的分析,得到了电流元对磁极作用力的规律。根据近距作用观点,它被理解为电流元产生磁场的规律。
方程
电流(沿闭合曲线)
毕奥-萨伐尔定律适用于计算一个稳定电流所产生的磁场。这电流是连续流过一条导线的
电荷,电流量不随时间而改变,电荷不会在任意位置累积或消失。采用
国际单位制,用方程表示:
其中,是源电流,是
积分路径,是源电流的微小线元素,为电流元指向待求场点的
单位向量, 为
真空磁导率,其值为 。
的方向垂直于和所确定的平面,当右手弯曲,四指从方向沿小于180度角转向时,伸直的大拇指所指的方向为的方向, 即、、三个矢量的方向符合
右手定则。
积分通常围绕闭合曲线,因为电流只能在闭合路径周围流动。无限长的电线是一个反例。
要应用公式,可以任意选择要计算磁场的空间点(r)。保持该点固定,计算电流路径上的
线积分以找出该点处的总磁场。该法的应用隐含地依赖于磁场的
叠加原理,即磁场是由电线的每个无穷小部分单独产生的
场的
向量和的事实。
电流(整个导体体积)
当电流可以近似为穿过无限窄的电线时,上面给出的配方工作良好。 如果导体具有一定厚度,则适用于Biot-Savart定律(再次以SI为单位):
恒定均匀电流
在稳定的恒定电流I的特殊情况下,磁场B是
即电流可以从积分中取出。
应用
磁响应
Biot-Savart定律可用于计算即使在原子或分子水平的磁响应,例如, 化学屏蔽或
磁化率,条件是可以从
量子力学计算或理论获得
电流密度。
空气动力学
Biot-Savart定律也用于
空气动力学理论,以计算由
涡流引起的速度。
在空气动力学应用中,与磁性应用相比,涡度和电流的作用相反。
在
麦克斯韦的1861年的“物理力量线”中,
磁场强度H直接等于纯涡度(旋转),而B是加权涡度,对涡旋海的密度进行加权。麦克斯韦认为磁导率μ是海洋密度的度量。因此,
磁感应电流
基本上是类比于线性电流关系的旋转,
电对流
其中ρ是电荷密度。 B被认为是在其轴向平面上排列的一种涡流磁流,其中H是涡流的
圆周速度。
电流方程可以视为涉及线性运动的电荷对流电流。通过类比,磁方程是涉及
自旋的
感应电流。电感电流沿B矢量方向没有线性运动。磁感应电流表示
力线。特别地,它代表反平方律力的线。
在空气动力学中,感应气流正在涡流轴上形成螺旋形环,涡旋轴正在扮演电流在磁性中的作用。这使得空气动力学的气流成为磁感应矢量B在电磁学中的等效作用。
在电磁场中,B线形成围绕电源电流的螺线管环,而在空气动力学中,气流围绕源涡流轴线形成螺线管环。
因此,在电磁学中,涡流起“效应”的作用,而在空气动力学中,涡旋起“原因”的作用。然而,当我们孤立地看待B线时,我们确切地看到空气动力学情况如此之多,因为B是涡旋轴,H是圆周速度,如麦克斯韦1861年的文章。
在二维中,对于无限长度的涡流线,点处的感应速度由下式给出
其中h是涡流的强度,r是点与涡流线之间的垂直距离。
这是有限长度涡旋段的公式的极限情况:
其中A和B是线段和线段的两端之间的(带符号)角度。