一根很长的同轴电缆,由一导体圆柱(半径为a)和一同轴的导体圆管(内、外半径分别为b,c)构成,如题8.3.9图所示.使用时,电流I从一导体流去,从另一导体流回。设电流都是均匀地分布在导体的横截面上,求:(1)导体圆柱内(r<a),(2)两导体之间(a<r<b),(3)导体圆筒内(b<r<c),(4)电䌼外(r>c)各点处磁感应强度的大小.
一根很长的同轴电缆,由一导体圆柱(半径为a)和一同轴的导体圆管(内、外半径分别为b,c)构成,如题8.3.9图所示.使用时,电流I从一导体流去,从另一导体流回。设电流都是均匀地分布在导体的横截面上,求:(1)导体圆柱内(r<a),(2)两导体之间(a<r<b),(3)导体圆筒内(b<r<c),(4)电䌼外(r>c)各点处磁感应强度的大小.

题目解答
答案

时
时,有
时,有
c " data-width="70" data-height="25" data-size="1006" data-format="png" style="max-width:100%">时,有

解析
本题考察安培环路定理在同轴电缆磁场中的应用,需分四个区域讨论磁感应强度。解题核心在于:
- 确定电流分布:导体圆柱和圆管的电流密度分别为均匀分布;
- 应用安培环路定理:对不同区域选择合适闭合路径,计算包围电流;
- 注意电流方向:圆柱电流流出(正方向),圆管电流流回(负方向)。
第(1)题:$r < a$(导体圆柱内)
计算电流密度
导体圆柱电流密度:
$J_1 = \frac{I}{\pi a^2}$
围绕电流
半径$r$处电流:
$I_{\text{enc}} = J_1 \cdot \pi r^2 = I \cdot \frac{r^2}{a^2}$
安培环路定理
$B \cdot 2\pi r = \mu_0 I_{\text{enc}}$
解得:
$B = \frac{\mu_0 I r}{2\pi a^2}$
第(2)题:$a < r < b$(两导体之间)
围绕电流
仅导体圆柱电流$I$被包围:
$I_{\text{enc}} = I$
安培环路定理
$B \cdot 2\pi r = \mu_0 I$
解得:
$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$
第(3)题:$b < r < c$(导体圆管内)
计算圆管电流密度
圆管电流密度:
$J_2 = \frac{I}{\pi (c^2 - b^2)}$
围绕电流
圆柱电流$I$减去圆管内电流(流回方向):
$I_{\text{enc}} = I - J_2 \cdot \pi (r^2 - b^2) = I \left[ 1 - \frac{r^2 - b^2}{c^2 - b^2} \right]$
安培环路定理
$B \cdot 2\pi r = \mu_0 I_{\text{enc}}$
解得:
$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} \left[ 1 - \frac{r^2 - b^2}{c^2 - b^2} \right]$
第(4)题:$r > c$(导体外)
围绕电流
圆柱电流$I$与圆管电流$I$相消:
$I_{\text{enc}} = I - I = 0$
安培环路定理
$B \cdot 2\pi r = 0 \implies B = 0$