Магнитостатика
Предположим, что
в каждой точке рассматриваемой области
плотность тока проводимости равна нулю
,
а сама область не охватывает тока.
Уравнения группы (1а), описывающие
магнитное поле, в этом случае не зависят
от уравнений группы (1б) и переходят в
уравнения магнитостатики
. (4)
Интегральные
соотношения магнитостатики получаются
из уравнений (3), если в последних положить
:
.
Так как в
рассматриваемом случае
,
то по аналогии с электростатикой можно
ввести в рассмотрение скалярную функцию
,
называемую магнитостатическим
потенциалом
и связанную с вектором
соотношением
.
В однородной среде магнитостатический потенциал удовлетворяет уравнению Лапласа:
.
Разность значений
магнитостатического потенциала между
точками
и
можно (по аналогии с электростатикой)
представить в форме
. (5)
На границе раздела
двух сред с разными магнитными
проницаемостями (
)
должны выполняться общие граничные
условия для векторов
и
:
;
.
Таким образом,
напряженность магнитостатического
поля
и напряженность электростатического
поля
в области без зарядов удовлетворяют
одинаковым уравнениям и однотипным
граничным условиям. Следовательно,
решение задач магнитостатики можно
получить из решений аналогичных задач
электростатики простой заменой в них
на
и
на
.
Магнитное поле и постоянный ток
В тех случаях,
когда в рассматриваемой области имеется
ток
или область охватывает ток (рис. 2),
магнитостатический потенциал
становится неоднозначной функцией.
Разность его значений между точками
и
зависит от контура, по которому выполняется
интегрирование в ф-ле (5), а именно, при
каждом обходе контура вокруг тока
в положительном направлении (так, чтобы
контур образовывал с током правовинтовую
систему) значение интеграла в (5) возрастает
на величину
.
Рис. 2
Таким образом,
магнитостатический потенциал
не позволяет установить связь между
стационарным магнитным полем и создающим
его постоянным током. Для определения
стационарного поля обычно вводят
векторный потенциал
, связанный с векторами
и
соотношениями
.
Основные формулы для вектора , характеризующего стационарное магнитное поле, можно получить непосредственно из формул для электродинамического потенциала , если считать все величины не зависящими от времени.
Векторный потенциал стационарного поля удовлетворяет уравнению
и условию калибровки
.
Если токи
сосредоточены в ограниченной области
,
то:
.
где
— расстояние от элемента
до точки, в которой вычисляется потенциал.
Если токи распределены
по поверхности
с плотностью
,
то:
,
а в случае линейного тока , протекающего по контуру Г:
.
В последних двух
ф-лах
— расстояние от элементов
и
соответственно до точки, в которой
вычисляется потенциал.
Перейдем от векторного потенциала к напряженности магнитного поля . Предполагая, что пространство заполнено однородной изотропной средой, получаем
.
Учитывая, что
плотность тока
не зависит от координат точки, в которой
вычисляется поле, и используя тождество
,
преобразуем подынтегральное выражение:
,
где
- орт вектора, проведенного из
в точку наблюдения. Тогда получаем
. (6)
К аналогичным выражениям для вектора приходим в случае поверхностных и линейных токов:
; (7)
. (8)
Соотношения (6) … (8) представляют собой интегральные формы закона Био—Савара
. (9)
Закон Био—Савара
характеризует магнитное поле
,
создаваемое элементом тока
.
Связь ф-л (8) и (9) очевидна. Покажем, что
поля, определяемые выражениями (6) и (7),
также можно представить в виде суперпозиции
элементарных полей
,
определяемых соотношением (9), от отдельных
«элементарных токов».
Преобразуем
подынтегральное выражение в ф-ле (6).
Выберем в качестве элемента
элемент токовой трубки длиной
,
ось которой направлена по току, а сечение
равно
.
Обозначив через
полный ток, протекающий по трубке, и
учитывая множитель
перед интегралом, получим выражение
,
полностью совпадающее с правой частью ф-лы (9).
Связь формул (7) и (9) доказывается аналогично.
Часто при решении практических задач для упрощения расчета предполагается, что ток вдоль одной из координатных осей остается неизменным, т. е. что линии тока по этой координате уходят в бесконечность. Такие предположения обычно делаются при определении поля, создаваемого линейным током, который протекает вдоль длинной нити, или токами, протекающими вдоль длинного цилиндра. Рассмотрим эти особые случаи.
Найдем магнитное
поле и векторный потенциал бесконечной
уединенной нити, обтекаемой постоянным
током. Пусть эта нить совпадает с осью
цилиндрической системы координат.
Очевидно, что напряженность магнитного
поля
в этом случае имеет одну составляющую
и не зависит от переменных
и
.
Выбирая в качестве контура Г
в ф-ле (3) окружность радиуса
,
лежащую в
плоскости, перпендикулярной к оси
,
получаем,
что напряженность магнитного поля нити
.
За направление тока в этой ф-ле принято направление оси .
Векторный потенциал
рассматриваемой нити должен иметь
только
-составляющую
,
величина которой зависит от координаты
.
Учитывая ф-лу
и расписывая
в цилиндрической системе координат,
получим
,
откуда следует, что
.
Интегрируя это
выражение по
,
находим
.
Постоянную
в этой ф-ле обычно полагают равной нулю.
Тогда
.
От этой ф-лы нетрудно перейти к выражению для потенциала, создаваемого токами, неизменными вдоль оси , которые протекают по цилиндру произвольного сечения :
где
— расстояние от элемента
,
характеризуемого
координатами
до точки наблюдения
;
.
Если поле создано поверхностными токами, распределенными по некоторой цилиндрической поверхности , образующие которой параллельны оси , а плотность поверхностных токов не зависит от координаты , то векторный потенциал выражается формулой
где Г
— линия пересечения поверхности
с плоскостью, перпендикулярной к оси
,
a
— расстояние от элемента
до точки
,
в которой
вычисляется потенциал.
