题目
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:c-|||-O-|||-b-|||-a(1)导体圆柱内(r<a)处磁感应强度的大小.(2)两导体之间(a<r<b)处磁感应强度的大小.(3)导体圆筒内(b<r<c)处磁感应强度的大小.(4)电缆外(r>c)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)处磁感应强度的大小.
(2)
两导体之间(a<r<b)处磁感应强度的大小.
(3)
导体圆筒内(b<r<c)处磁感应强度的大小.
(4)
电缆外(r>c)处磁感应强度的大小.
题目解答
答案
- (1)
μ0Ir2πR2
- (2)
μ0I2πr
- (3)
μ0I(c2−r2)2πr(c2−b2)
- (4)
0
解析
本题考察安培环路定理在同轴电缆磁场中的应用,需分区域讨论不同半径处的磁感应强度。解题核心在于:
- 确定电流分布:内导体(圆柱)电流密度均匀,外导体(圆管)电流密度也均匀,且总电流为$I$,方向相反。
- 应用安培环路定理:对称性下,环路上$B$大小相等且切线方向一致,积分简化为$B \cdot 2\pi r = \mu_0 I_{\text{enclosed}}$。
- 分区域分析:根据$r$的位置,计算环路包围的电流$I_{\text{enclosed}}$,注意外导体电流方向与内导体相反。
第(1)题:$r < a$(导体圆柱内部)
- 电流密度计算:内导体电流密度$J = \frac{I}{\pi a^2}$。
- 包围电流:半径$r$处电流$I_{\text{enclosed}} = J \cdot \pi r^2 = \frac{I r^2}{a^2}$。
- 安培定理:$B \cdot 2\pi r = \mu_0 \frac{I r^2}{a^2}$,解得:
$B = \frac{\mu_0 I r}{2\pi a^2}.$
第(2)题:$a \leq r < b$(两导体之间)
- 包围电流:环路包含整个内导体电流$I$。
- 安培定理:$B \cdot 2\pi r = \mu_0 I$,解得:
$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}.$
第(3)题:$b \leq r < c$(导体圆筒内部)
- 外导体电流密度:$J' = \frac{I}{\pi (c^2 - b^2)}$。
- 包围电流:外导体中半径$r$处的电流$I_{\text{enclosed}} = I - J' \cdot \pi (r^2 - b^2) = I \left[ 1 - \frac{r^2 - b^2}{c^2 - b^2} \right] = \frac{I (c^2 - r^2)}{c^2 - b^2}$。
- 安培定理:$B \cdot 2\pi r = \mu_0 \frac{I (c^2 - r^2)}{c^2 - b^2}$,解得:
$B = \frac{\mu_0 I (c^2 - r^2)}{2\pi r (c^2 - b^2)}.$
第(4)题:$r \geq c$(电缆外部)
- 包围电流:总电流$I_{\text{enclosed}} = I - I = 0$(内导体和外导体电流抵消)。
- 安培定理:$B \cdot 2\pi r = 0$,解得:
$B = 0.$