题目
载流导线形状如图所示(图中直线部分导线延伸到无穷远),求点O的磁感强度B. R R R-|||-y o y 0 y-|||-1-|||-x-|||-(a) (b) (c)
载流导线形状如图所示(图中直线部分导线延伸到无穷远),求点O的磁感强度B.
题目解答
答案
解析
步骤 1:确定各部分导线对点O的磁感强度贡献
对于载流导线,根据毕奥-萨伐尔定律,每一段电流元对空间中某点产生的磁感强度为:
\[ d\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{I d\vec{l} \times \vec{r}}{r^3} \]
其中,\(d\vec{l}\)是电流元,\(\vec{r}\)是从电流元到点O的位置矢量,\(r\)是它们之间的距离,\(\mu_0\)是真空磁导率,\(I\)是电流强度。
步骤 2:计算图(a)中点O的磁感强度
在图(a)中,导线由两部分组成:一段半圆弧和两段直线。半圆弧对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{半圆} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
两段直线对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
因此,点O的总磁感强度为:
\[ \vec{B}_0 = \vec{B}_{半圆} + \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{2\pi R} \hat{k} \]
步骤 3:计算图(b)中点O的磁感强度
在图(b)中,导线由两部分组成:一段半圆弧和两段直线。半圆弧对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{半圆} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \hat{i} \]
两段直线对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
因此,点O的总磁感强度为:
\[ \vec{B}_0 = \vec{B}_{半圆} + \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \left(1 + \frac{1}{\pi}\right) \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
步骤 4:计算图(c)中点O的磁感强度
在图(c)中,导线由两部分组成:一段半圆弧和两段直线。半圆弧对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{半圆} = -\frac{3\mu_0 I}{8R} \hat{i} \]
两段直线对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{j} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
因此,点O的总磁感强度为:
\[ \vec{B}_0 = \vec{B}_{半圆} + \vec{B}_{直线} = -\frac{3\mu_0 I}{8R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{j} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
对于载流导线,根据毕奥-萨伐尔定律,每一段电流元对空间中某点产生的磁感强度为:
\[ d\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{I d\vec{l} \times \vec{r}}{r^3} \]
其中,\(d\vec{l}\)是电流元,\(\vec{r}\)是从电流元到点O的位置矢量,\(r\)是它们之间的距离,\(\mu_0\)是真空磁导率,\(I\)是电流强度。
步骤 2:计算图(a)中点O的磁感强度
在图(a)中,导线由两部分组成:一段半圆弧和两段直线。半圆弧对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{半圆} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
两段直线对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
因此,点O的总磁感强度为:
\[ \vec{B}_0 = \vec{B}_{半圆} + \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{2\pi R} \hat{k} \]
步骤 3:计算图(b)中点O的磁感强度
在图(b)中,导线由两部分组成:一段半圆弧和两段直线。半圆弧对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{半圆} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \hat{i} \]
两段直线对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
因此,点O的总磁感强度为:
\[ \vec{B}_0 = \vec{B}_{半圆} + \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4R} \left(1 + \frac{1}{\pi}\right) \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
步骤 4:计算图(c)中点O的磁感强度
在图(c)中,导线由两部分组成:一段半圆弧和两段直线。半圆弧对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{半圆} = -\frac{3\mu_0 I}{8R} \hat{i} \]
两段直线对点O的磁感强度为:
\[ \vec{B}_{直线} = -\frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{j} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]
因此,点O的总磁感强度为:
\[ \vec{B}_0 = \vec{B}_{半圆} + \vec{B}_{直线} = -\frac{3\mu_0 I}{8R} \hat{i} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{j} - \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \hat{k} \]