Теорема Стокса

Краткая теория

Полная система уравнений Максвелла \begin{equation}\label{equat1} \begin{array}{l} \Div \vec{D}=4\pi\rho\\ \rot \vec{E}=-\frac{1}{c}\frac{\partial\vec{B}}{\partial t}\\ \rot \vec{H}=\frac{4\pi}{c}\vec{j}+\frac{1}{c}\frac{\partial\vec{D}}{\partial t}\\ \Div \vec{B}=0, \end{array} \end{equation} где $\vec{E}$ – напряженность электрического поля,
$\vec{D}$ – электрическая индукция,
$\vec{B}$ – магнитная индукция,
$\vec{H}$ – напряженность магнитного поля,
$\rho$ – объемная плотность свободных зарядов,
$\vec{j}$ – объемная плотность немолекулярных токов (токов проводимости). Объемная плотность характеризует токи в объеме, но ее физический смысл – ток на единицу площади, а не объема. Уточним также, что $\vec{j}$ – вектор, в то время как ток $I=\iint\limits_S (\vec{j}\cdot d\vec{S})$ – скаляр.

Интегрованием третьго уравнения системы \eqref{equat1} по площади поверхности, натянутой на замкнутый контур $\mathfrak{L}$ получим теорему Стокса \begin{equation*}\label{equat3} \oint\limits_{\mathfrak{L}} (\vec{H}\cdot d\vec{\ell})=\frac{4\pi}{c}(I+I_{см}), \end{equation*} где $I$ – полный ток проводимости через сечение контура $\mathfrak{L}$;
$I_{см}=\frac{1}{4\pi}\iint \left(\frac{\partial\vec{D}}{\partial t}\cdot d\vec{S}\right)$ – ток смещения.

Задача №553

Найти индуктивность длинного соленоида круглого сечения радиуса $a$, с равномерной намоткой плотности $n$, длины $l\gg a$, если магнитная проницаемость его сердечника меняется по закону $\mu(R) = 1 + \frac{R}{a}$, где $R$ – расстояние от оси соленоида.

Показать решение

Задача №497

По замкнутому сверхпроводящему соленоиду радиуса $a$ с сердечником радиуса $b < a$ (на всю длину соленоида) и магнитной проницаемостью $\mu$ течет ток $I$. Каким станет ток, если сердечник вынуть? Краевыми эффектами на торцах соленоида пренебречь.

Показать решение

Задача №473

На два маленьких проводящих шарика, закреплённых на расстоянии $l$ друг от друга, направлены узкие пучки заряженных частиц. Плотность частиц в пучках $n$, скорость частиц $v$, площадь сечения пучков $s$, заряды частиц в пучках $+e$ и $–e$, соответственно. Пучки распространяются по оси, соединяющей центры шариков, в противоположных направлениях. При попадании на шарики, заряды накапливаются на них. Определите напряжённость магнитного поля $\vec{H}(\vec{r})$ в плоскости, проходящей посередине между шариками перпендикулярно оси, на расстоянии r от оси. Отталкиванием частиц от заряженных шариков пренебречь.

Показать решение

Задача №467

Внутри длинного соленоида радиуса $a$ с равномерной намоткой, по которой течет постоянный ток, находится соосный с ним сердечник той же длины радиуса $b,\, (b < a)$ с магнитной проницаемостью $\mu$. Чему равно отношение $W_с/W$ магнитной энергии, сосредоточенной в сердечнике, к полной магнитной энергии?

Показать решение

Задача №429

По двум параллельным металлическим пластинам размерами $a \ll h \ll l$ вдоль наибольших сторон пропускается переменный ток в противоположных направлениях. Расстояние между пластинами $2d \ll h$. Найти разность между индуктивностью системы при низких частотах тока (скин-эффект слабый) и индуктивностью системы при высоких частотах тока (скин-эффект сильный).

Показать решение

Задача №285

Рассмотрим источник, испускающий $\alpha-$частицы в одном направлении вдоль прямой. Пусть эквивалентный ток заряженных частиц постоянен во времени и равен $I$. Тогда задача обладает аксиальной симметрией и для определения магнитного поля в пространстве можно воспользоваться теоремой Стокса. В качестве контура возьмем окружность радиуса $R$ около полупрямой с током с центром в источнике, а в качестве поверхности, натянутой на контур, в первом случае – любую поверхность, расположенную слева от контура (синий пунктир на рисунке), а во втором – справа от него (красный пунктир на рисунке). Согласно теореме Стокса магнитное поле вдоль контура в первом случае задается уравнением $$ 2\pi R H(R) = \frac{4\pi}{c}I, $$ а во втором $$ 2\pi R H(R) = 0. $$ Налицо противоречие, поэтому где-то в приведенном рассуждении содержится изъян. В чем он?

Показать решение

Задача №279

Найти внутреннюю часть самоиндукции на единицу длины проводника в форме бесконечного полого цилиндра (трубы) с внутренним радиусом $a$ и внешним – $b$, ток бежит однородно по сечению трубы.

Показать решение

Задача №184

Найти взаимную индуктивность (коэффициент взаимоиндукции) двух плоских витков произвольной формы, помещенных на плоскую границу раздела двух магнетиков с проницаемостями $\mu_1$ и $\mu_2$, если в вакууме она была равна $L_{12}$.

Показать решение

Задача №183

На длинный короткозамкнутый сверхпроводящий соленоид, состоящий из $N$ витков, надет проволочный виток. Размер витка много меньше расстояний до торцов соленоида. По витку пустили постоянный ток $I$. Какой ток потечет по обмотке соленоида? Изначально в соленоиде и в витке токов не было.

Показать решение

Задача №160

Бесконечный соленоид кругового сечения с током $I$ в витке и числом витков на единицу длины $n$, заполнен составной намагничивающейся средой с магнитными проницаемостями $\mu_1$, $\mu_2$ (на рисунке показано поперечное сечение соленоида). Найти поля $H_{1,2}$, $B_{1,2}$ внутри соленоида и распределение молекулярных токов.

Показать решение

Задача №158

Прямой полубесконечный провод с током $I$ входит по нормали в проводящее полупространство $z$>0, в котором $\sigma$=const, $\mu$=1. Найти распределения потенциала $\varphi(r,\theta)$ и объемной плотности тока $\vec{j}(r,\theta)$ в данном полупространстве (2 б); магнитное поле $\vec{B}$ во всем пространстве. (2 б)

Показать решение

Задача №142

Тонкая однородно проводящая сфера соединена по диаметру прямым проводом с током $I$, как показано на рисунке. Сформулировать математическую постановку и построить решение для поля $\vec{B}$ во всем пространстве.

Показать решение

Задача №139

Ток $I$, текущий по прямому проводу, в точке O расщепляется на две части, а в точке A эти части соединяются вновь. Одна из частей ($I_1$) бежит по прямому проводу OA, вторая по конической ''юбке'' и замыкающей плоской крышке (точка A – центр этой крышки). Найти магнитное поле, создаваемое этой системой, во всем пространстве. (Распределение всех токов аксиально-симметричное).

Показать решение

Задача №138

Две параллельные однородно проводящие плоскости соединены прямым проводом с током $I$, как показано на рисунке. Сформулировать математическую постановку и построить решение для поля $\vec{B}$ во всем пространстве.

Показать решение

Задача №104

Тонкое проводящее кольцо, обладающее в вакууме индуктивностью $L_0$, поместили в магнетик. Магнетик состоит из трех областей, границы между которыми образуют три двугранных угла $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ ($\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3=2\pi$), исходящих из общей прямой, совпадающей с осью кольца. Магнитные проницаемости в каждой области равны $\mu_1, \mu_2, \mu_3$ соответственно. Найти индуктивность $L$ кольца с учетом среды.

Показать решение

Задача №103

Круговое кольцо с током наполовину погружено в полупространство, заполненное магнетиком с $\mu_2>1$, как показано на рисунке. Найти поля $\vec{B}_{1,2}$ в областях 1, 2, считая поле от данного кольца с током в вакууме известным ($\vec{B}=\vec{B}_0(\vec{r})$) (2 б). Выяснить, где протекают молекулярные токи и как определить их интенсивность (2 б).

Показать решение

Задача №102

Дно и крышка проводящей тонкостенной цилиндрической банки посередине соединены прямым проводом, по которому идет постоянный ток $I$. Пользуясь цилиндрическими координатами $r$, $\alpha $, $z$, получить:
1) распределение поверхностной плотности тока по всем элементам замкнутой поверхности (1 б);
2) граничные условия для $B_{r}$, $B_{\mathrm{\alpha }}$ и $B_{z}$ на этих элементах (2 б);
3) поля $\vec{B}_{\mathrm{1,2}}$ внутри и вне банки (2 б).

Показать решение

Задача №101

Коаксиальный кабель, жила и обмотка которого имеют бесконечную проводимость и радиусы $r_1$ и $r_2$, замкнут накоротко подвижным проводящим диском. Найти силу, действующую на этот диск, когда по кабелю течет ток $I$. Указать направление этой силы.

Показать решение

Задача №100

По бесконечно длинному соленоиду с плотностью намотки $n$ течет ток $I$. Соленоид наполовину заполнен средой с магнитной проницаемостью $\mu$. Найти магнитное поле $\vec{B}(\vec{r})$ и распределение молекулярных токов $i_m$.

Показать решение

Задача №98

В проводнике с проводимостью $\sigma $, заполняющем все пространство, имеется бесконечная цилиндрическая полость радиуса $a$. В полости соосно с этим цилиндром расположен тонкостенный непроводящий цилиндр радиуса $b$, на котором равномерно распределен поверхностный заряд с плотностью $\sigma_{q}$. Внутренний цилиндр колеблется (вдоль оси $z$) по закону $v_{z}= v_{0}{\e}^{-i\omega t}$. Найти установившееся электрическое и магнитное поле в случае сильного скин-эффекта.

Показать решение

Задача №59

Плоский конденсатор, расстояние $d$ между круглыми пластинами которого много меньше их радиуса $a$, заполнен средой с диэлектрической проницаемостью $\varepsilon $ и проводимостью $\sigma $. Начальный заряд $q_{\mathrm{0}}$. Определить магнитное поле, создаваемое токами проводимости, и полное магнитное поле.

Показать решение

Задача №58

В разрыв бесконечного прямого провода с постоянным током $J$ вставлен сплошной цилиндрический участок радиуса $a$ с проводимостью $\sigma$ и магнитной проницаемостью $\mu$ (см. рисунок). Торцы цилиндра соединены в центре с концами провода и являются идеально проводящими. Найти распределение тока в цилиндре (2 б) и магнитное поле во всем пространстве (1 б).

Показать решение

Задача №12

Однородно заряженный с объемной плотностью заряда $\rho$ бесконечный цилиндр радиуса $a$ вращается вокруг своей оси с равномерно возрастающей угловой скоростью $\omega=kt$. Найти электрическое и магнитное поле во всем пространстве в зависимости от времени

Показать решение