题目
有一长直导体圆管,内外半径分别为R1和R2,如图,它所载的电流I2均匀分布在其横截面上.导体旁边有一绝缘“无限长”直导线,载有电流I2,且在中部绕了一个半径为R的圆圈.设导体管的轴线与长直导线平行,相距为d,而且它们与导体圆圈共面,求圆心O点处的磁感强度B .I2-|||-A-|||-R-|||-I1-|||-l2-|||-d.
有一长直导体圆管,内外半径分别为R1和R2,如图,它所载的电流I2均匀分布在其横截面上.导体旁边有一绝缘“无限长”直导线,载有电流I2,且在中部绕了一个半径为R的圆圈.设导体管的轴线与长直导线平行,相距为d,而且它们与导体圆圈共面,求圆心O点处的磁感强度B .
题目解答
答案
μ0I22R(1+1π)−μ0I12π(d+R)
.解析
步骤 1:确定各电流产生的磁场
- 长直导体圆管的电流I2均匀分布在横截面上,根据安培环路定理,圆管内部的磁场为零,外部的磁场与无限长直导线的磁场相同,即B = μ0I2 / (2πr),其中r为到圆管轴线的距离。
- 绝缘“无限长”直导线的电流I2产生的磁场为B = μ0I2 / (2πr),其中r为到直导线的距离。
- 绕成半径为R的圆圈的电流I2产生的磁场,根据毕奥-萨伐尔定律,圆心处的磁场为B = μ0I2 / (2R)。
步骤 2:计算圆心O点处的磁感强度
- 圆心O点到长直导体圆管轴线的距离为d+R,因此圆管产生的磁场为B1 = μ0I2 / (2π(d+R))。
- 圆心O点到绝缘“无限长”直导线的距离为d,因此直导线产生的磁场为B2 = μ0I2 / (2πd)。
- 圆心O点处由圆圈产生的磁场为B3 = μ0I2 / (2R)。
- 圆心O点处的总磁感强度为B = B1 + B2 + B3。
步骤 3:计算总磁感强度
- 将B1、B2和B3代入B = B1 + B2 + B3,得到B = μ0I2 / (2π(d+R)) + μ0I2 / (2πd) + μ0I2 / (2R)。
- 将上式化简,得到B = μ0I2 / (2π) * (1/(d+R) + 1/d) + μ0I2 / (2R)。
- 进一步化简,得到B = μ0I2 / (2π) * (1/(d+R) + 1/d) + μ0I2 / (2R) = μ0I2 / (2π) * (1/(d+R) + 1/d + π/R)。
- 长直导体圆管的电流I2均匀分布在横截面上,根据安培环路定理,圆管内部的磁场为零,外部的磁场与无限长直导线的磁场相同,即B = μ0I2 / (2πr),其中r为到圆管轴线的距离。
- 绝缘“无限长”直导线的电流I2产生的磁场为B = μ0I2 / (2πr),其中r为到直导线的距离。
- 绕成半径为R的圆圈的电流I2产生的磁场,根据毕奥-萨伐尔定律,圆心处的磁场为B = μ0I2 / (2R)。
步骤 2:计算圆心O点处的磁感强度
- 圆心O点到长直导体圆管轴线的距离为d+R,因此圆管产生的磁场为B1 = μ0I2 / (2π(d+R))。
- 圆心O点到绝缘“无限长”直导线的距离为d,因此直导线产生的磁场为B2 = μ0I2 / (2πd)。
- 圆心O点处由圆圈产生的磁场为B3 = μ0I2 / (2R)。
- 圆心O点处的总磁感强度为B = B1 + B2 + B3。
步骤 3:计算总磁感强度
- 将B1、B2和B3代入B = B1 + B2 + B3,得到B = μ0I2 / (2π(d+R)) + μ0I2 / (2πd) + μ0I2 / (2R)。
- 将上式化简,得到B = μ0I2 / (2π) * (1/(d+R) + 1/d) + μ0I2 / (2R)。
- 进一步化简,得到B = μ0I2 / (2π) * (1/(d+R) + 1/d) + μ0I2 / (2R) = μ0I2 / (2π) * (1/(d+R) + 1/d + π/R)。