Закон Био-Савара. Закон Ампера. Принцип суперпозиции

Краткая теория

Вектор-потенциал магнитного поля в кулоновской калибровке: $$ \vec{A}(\vec{r})=\frac{1}{c}\iiint \frac{\vec{j}(\vec{r}\;')}{R}dV', $$ где $dV'$ – элемент объема, в котором протекает ток с плотностью $\vec{j}(\vec{r}\;')$, $R=|\vec{r}-\vec{r}\;'|$. Тогда магнитное поле в точке $\vec{r}$ равно $$ \vec{B}(\vec{r})=\rot \vec{A}=\frac{1}{c}\iiint \nabla \frac{1}{R}\times \vec{j} dV'+ \frac{1}{c}\iiint \frac{dV'}{R} \rot\vec{j} $$ Второе слагаемое равно нулю, поскольку оператор $\rot$ предполагает дифференцирование по нештрихованным переменным (по координатам точки наблюдения), а $\vec{j}$ зависит от штрихованных переменных $x'$, $y'$, $z'$. Первое слагаемое с учетом $\nabla \frac{1}{R}=-\frac{\vec{r}-\vec{r}\;'}{{|\vec{r}-\vec{r}\;'|}^3}$ равно $$ \vec{B}(\vec{r})=\frac{1}{c}\iiint \frac{\vec{j}(\vec{r}\;') \times (\vec{r}-\vec{r}\;')}{R^3} dV', $$ что представляет собой закон Био-Савара. В том случае, когда ток сосредоточен в линейном проводнике, закон Бир-Савара принимает вид $$ \vec{B}(\vec{r})=\frac{I}{c}\oint \frac{\vec{d\ell'} \times (\vec{r}-\vec{r}\;')}{R^3}. $$ Закон Био-Савара позволяет по распределению токов в пространстве определять наводимое этими токами магнитное поле.

Сила $\vec{F}$, действующая на элемент $\vec{d\ell}$ с током $I$ в постоянном магнитном поле $\vec{B}$, выражается законом Ампера: $$ \vec{F}=\frac{I}{c} \left[\vec{d\ell} \times \vec{B}\right]. $$ Из законов Био-Савара и Ампера следует, что сила со стороны элемента с током $I_1$ на элемент с током $I_2$ равна $$ d\vec{F}_{12}=\frac{I_1 I_2}{c^2 R^3} \vec{d\ell}_2 \times \left[\vec{d\ell}_1 \times (\vec{r}_2-\vec{r}_1)\right]. $$ Несложно убедиться, что в общем случае $d\vec{F}_{12} \neq -d\vec{F}_{21}$, что вовсе не означает нарушения третьего закона Ньютона. Дело в том, что последний формулируется для двух взаимодействующих тел, взятых целиком, а не для элементов этих тел. Если же в качестве $\vec{F}_{ik}$ рассматривать силу со стороны одного контура с током на другой контур с током, то в результате интегрирования $d\vec{F}_{ik}$ по обоим контурам всегда получится, что $$ \vec{F}_{ik}=-\vec{F}_{ki}. $$

Задача №591

Провод состоит из двух полубесконечных отрезков, соединённых отрезком длины $a$, как показано на рисунке. Первый полубесконечный расположен вдоль оси $x$, отрезок длины a расположен вдоль оси $y$, а второй полубесконечный отрезок расположен в плоскости $YZ$ и параллелен оси $z$. По проводу течёт ток $I$. Найти магнитное поле $\vec{H}$ в точке A с координатами $(0, b, 0)$.

Показать решение

Задача №501

Внутрь длинного соленоида сечением $S$ с числом витков $N$ индуктивностью $L$ вносят шарик радиуса $a\ll \sqrt{S}$ с магнитной проницаемостью $\mu$. Найти изменение индуктивности $\Delta L$, считая, что шар находится вдали от витков и торцов соленоида и краевыми эффектами можно пренебречь.

Показать решение

Задача №498

Найти магнитное поле в центре контура с током $I$, имеющего форму правильного $n$- угольника, если расстояние от центра до середины его сторон равно $a$.

Показать решение

Задача №493

Маленькая бусинка с магнитным моментом $\vec{m}=m\vec{e}_z$ и массой $M$ нанизана на спицу, совпадающую с осью $z$. В плоскости XY расположено кольцо радиуса $a$ с центром в начале координат. По кольцу течет ток $I$. Определить частоту малых колебаний бусинки вблизи $z=0$.

Показать решение

Задача №460

По сторонам квадрата со стороной $a$ бежит ток $I$. Найти магнитное поле $\vec{B}$ в центре квадрата.

Показать решение

Задача №459

По сторонам равностороннего треугольника со стороной $a$ бежит ток $I$. Найти магнитное поле $\vec{B}$ в центре треугольника.

Показать решение

Задача №425

Ток $I$ течет по замкнутому контуру, содержащему два круглых витка радиусов $a$ и $b$ соответственно. Контур целиком лежит в плоскости $(xy)$. Расстояние между параллельными проводами, соединяющими круглые витки, пренебрежимо мало. Найти магнитное поле $\vec{B}(\vec{r})$ в центре витков и на расстояниях $r \gg b$.

Показать решение

Задача №424

Спираль $r(\alpha)=r_0\e^{k\alpha}$, лежащая в плоскости $xy$, содержит $N$ витков. По спирали течет ток $I$. Токоподводящие провода ориентированы вдоль $z$. Найти $z$-компоненту магнитного поля в начале координат.

Показать решение

Задача №418

К кольцу радиуса $R$, изготовленному из однородной тонкой проводящей проволоки, в двух точках припаяны длинные прямые проводники, как показано на рисунке. По проводникам течет постоянный ток $I$ (см. рис.). Найти магнитное поле $\vec{B}_0$ в центре кольца.

Показать решение

Задача №417

К кольцу радиуса $R$, изготовленному из однородной тонкой проводящей проволоки, в двух точках припаяны длинные прямые проводники, как показано на рисунке. По проводникам течет постоянный ток $I$ (см. рис.). Найти магнитное поле $\vec{B}_0$ в центре кольца.

Показать решение

Задача №383

Вдоль оси длинного полого цилиндрического проводника радиуса $a$ течет ток $I$, равномерно распределенный по поверхности. Ось проводника лежит на плоской границе двух сред с магнитными проницаемостями $\mu_1$ и $\mu_2$, а пространство внутри проводника заполнено воздухом. Найти распределение молекулярных токов $J_{мол}$ на границе проводника и магнетиков.

Показать решение

Задача №376

По замкнутому плоскому контуру, составленному из дуги окружности радиуса $R$ и хорды, на которую опирается угол $\frac{\pi}{2}$ (на рисунке изображены толстыми линиями), бежит некоторый ток $I$. 1) Найти величину и направление поля $\vec{B}(O)$ в центре окружности, если известно, что поля в центре кругового витка радиуса $R$ и квадратного витка со стороной $a=R\sqrt{2}$ при прохождении тока $I$ равны соответственно $B_О$ и $B_П$. 2) Выразить $B_П$ через $I$ и $a$.

Показать решение

Задача №375

По замкнутому плоскому контуру, составленному из дуги окружности радиуса $a$ и двух прямых участков (на рисунке изображены толстыми линиями) бежит некоторый ток $I$. 1) Найти величину и направление поля $\vec{B}(O)$ в точке $O$, если известно, что поля в центре кругового витка радиуса $a$ и квадратного витка со стороной $2a$ при прохождении тока $I$ равны соответственно $B_О$ и $B_П$. 2) Выразить $B_П$ через $I$ и $a$.

Показать решение

Задача №330

Тонкий провод протянут вдоль сторон прямого угла, образованного осями $x$ и $y$. Ток $I$ течет по проводу в направлении против оси $x$ и вдоль оси $y$ (см. рис.). Найти магнитное поле $\vec{H}(z)$ на оси $z$.

Показать решение

Задача №325

Провод состоит из двух полубесконечных отрезков, соединенных половиной дуги кольца радиуса $a$, как показано на рисунке. Первый полубесконечный отрезок находится в плоскости XY и параллелен оси $x$, половина кольца находится в плоскости YZ, а второй отрезок направлен непосредственно против оси $y$. По проводу течет ток $I$. Найдите магнитное поле H в начале координат.

Показать решение

Задача №324

Провод состоит из двух полубесконечных отрезков, соединенных половиной дуги кольца радиуса $a$, как показано на рисунке. Первый полубесконечный отрезок находится в плоскости XY и параллелен оси $x$, половина кольца находится в плоскости YZ, а второй отрезок направлен непосредственно против оси $y$. По проводу течет ток $I$. Найдите магнитное поле $\vec{H}$ в начале координат.

Показать решение

Задача №274

Участок длины $2a$ прямолинейного провода с током $I$ заменили на проводящую полусферу радиуса $a$. Найти первый и второй неисчезающий член разложения магнитного поля $\vec{H}(\vec{r})$ на больших расстояниях от центра полусферы $(r\gg a)$.

Показать решение

Задача №270

Из цельного провода с диаметром $d$ намотано целое число витков спирали так, что витки плотно прилегают друг к другу. Концы спирали замкнуты прямым проводом, по проводу течет ток $I$. Внутренний радиус спирали $a$, а внешний – $b$ $(b-a\gg d)$. Найти магнитное поле в центре спирали.

Показать решение

Задача №269

В тонком диске радиуса $b$ сделано круглое концентрическое отверстие радиуса $a$. По оставшейся части диска текут поверхностные азимутальные токи $i_{\alpha}=I_0\frac{r}{b^2}$. Найти магнитное поле в центре диска.

Показать решение

Задача №228

В поле $\vec{B}$, создаваемом бесконечным проводом с током $I$, совпадающим с осью $z$, находится прямоугольный контур с током $I_1$ с размерами $2r_0\sin\alpha \times h$ ($h$ – размер в направлении $z$, см. рис.). Найти суммарную силу $\vec{F}$, действующую на контур.

Показать решение

Задача №227

В поле $\vec{B}$, создаваемом бесконечным проводом с током $I$, совпадающим с осью $z$, находится прямоугольный контур с током $I_1$ с размерами $b \times h$ ($h$ – размер в направлении $z$, см. рис.). Найти силу $\vec{F}$, действующую на контур.

Показать решение

Задача №226

Ток $I$ течет по плоскому проволочному контуру, представляющему собой две дуги радиусов $a$ и $b$ с общим центром. Дуги имеют угловой размер $3\pi/2$, а их концы соединены радиальными участками проволоки. Найти магнитное поле в центре.

Показать решение

Задача №225

Круглый проволочный виток радиуса $a$ с центром в точке $О$ согнули вдоль его диаметра так, что его грани стали образовывать прямой двугранный угол, и пустили по нему ток $I$. Найти магнитное поле в точке $О$.

Показать решение

Задача №223

Замкнутый контур $ABSCDNA$, по которому течет ток $I$, натянут на шар радиуса $a$ (см. рис.). Найти магнитное поле в центре шара (т. $O$) (2 б), а также на больших расстояниях $R\gg a$ (+2 б). Описание контура: Дуга $AB$ проходит по экватору на четверть его длины (90$^{\circ}$). Дуга $BS$ спускается с экватора на южный полюс. Дуга $SC$ соединяет полюс с экватором и отстоит на 90$^{\circ}$ от меридиана $BS$. Дуга $CD$ проходит по экватору на четверть его длины в том же направлении, что и $AB$, а дуга $DN$ соединяет точку $D$ с северным полюсом $N$. Дуга $NA$ соединяет полюс с точкой $A$ и отстоит на 90$^{\circ}$ от меридиана $DN$.

Показать решение

Задача №221

Ток течет по плоскости $z=0$, компоненты линейной плотности в цилиндрических координатах $i_{\alpha} =i_0\left(\frac{a}{r}\right)^2$, $i_r =i_z =0$. Найти магнитное поле $\vec{B}(z)$ на оси $z$.

Показать решение

Задача №181

Ток $I$ течет по тонкому проводу, протянутому вдоль двух параллельных полупрямых и соединяющей их полуокружности радиуса $a$, описанной вокруг точки $O$. Плоскость полуокружности перпендикулярна полупрямым (см. рис.). Найти магнитное поле в точке $O$.

Показать решение

Задача №179

Замкнутый контур образован двумя эксцентрическими дугами радиусов $a$ и $b$ ($b<a$) с общим зазором (см. рисунок). Угловой размер зазора относительно центра дуги радиуса $a$ равен $2\alpha_0 \ll \frac{b}{a}$. По контуру пущен постоянный ток $I$. Найти магнитное поле в середине зазора.

Показать решение

Задача №162

Непроводящее кольцо радиуса $a$ однородно заряженное зарядом $q$ вращается вокруг своей оси с равномерно возрастающей угловой скоростью $\omega=kt$ . Найти магнитное поле в центре кольца и вихревое электрическое поле на малом расстоянии $r$ от оси кольца ($r\ll a$) в плоскости кольца.

Показать решение

Задача №154

По витку, который представляет из себя две дуги окружностей с радиусами $a$ и $b$, соединенных по радиусу (см. рис.) пустили ток $I$. Угловой размер дуг $\alpha$ и $2\pi-\alpha$, соответственно. Найти магнитное поле в центре витка (в точке O).

Показать решение

Задача №110

Тонкий соленоид представляет собой часть тора. Угловой размер отсутствующего сектора равен $\alpha$. По плотной равномерной обмотке соленоида протекает ток, создающий внутри магнитное поле с напряженностью $\vec{H}$, направленное по часовой стрелке. Определить величину и направление магнитного поля в центре тора (точке O). Радиус тора равен $R$, сечение тора – круг радиуса $r$ ($r\ll R$). Соленоид заполнен магнетиком с магнитной проницаемостью $\mu$, магнитная проницаемость окружающей среды равна 1.

Показать решение

Задача №109

Тонкое круглое кольцо, равномерно заряженное с линейной плотностью $\varkappa$, вращается вокруг своего диаметра с угловой скоростью $\omega$. Найти эффективную усредненную за период линейную плотность тока и магнитное поле в центре кольца.

Показать решение

Задача №108

В неподвижном кольце радиуса $b$ поддерживается постоянный ток $I_{\mathrm{0}}$. Идеально проводящее кольцо радиуса $a\ll b$ с индуктивностью $L$ занимает положение, характеризуемое координатой $z$. В положении $z=0$ ток в кольце равнялся нулю. Найти:
а) магнитное поле на оси $z$, т. е. $\vec{B}(z)$, создаваемое током $I_{\mathrm{0}}$ в кольце радиуса $b$ (1 б);
б) ток в малом кольце $I_{a}(z)$ в зависимости от его положения (2 б);
в) силу $\vec{F}(z)$, действующую на это кольцо (1 б);
г)  работу, которую необходимо совершить, чтобы перенести кольцо из положения $z=0$ до $z=\infty $ (1 б).

Показать решение

Задача №107

Ток $I$ течет по двум перпендикулярным друг другу лучам, плавно (без изломов) соединенным дугой радиуса $a$. Найти магнитное поле в центре $O$ дуги.

Показать решение

Задача №106

У Земли пропало магнитное поле. ООН решило проложить один виток провода по экватору, чтобы воссоздать поле величиной 0,6 Э на полюсе. Найти необходимую для этой задачи величину тока в амперах. Радиус Земли 6400 км.

Показать решение

Задача №105

По тонкой квадратной рамке со стороной $a$, лежащей в плоскости $xy$, протекает ток $I$. Найти магнитное поле $\vec{B}_0$ в центре рамки.

Показать решение