引入

静电场有高斯定理,通过闭合曲面的电通量与内部电荷有关。磁场有类似的定理吗?

为什么穿过闭合回路的磁场环流只与回路包围的电流有关?

为什么安培环路定理需要麦克斯韦修正?

安培环路定理是磁场的高斯定理的“对称伙伴”:一个说磁通量的来源为零,一个说磁场的环流来源是电流。

正文

定义

安培环路定理:磁场沿任意闭合回路的环流,等于穿过该回路所包围面积的电流的代数和乘以 :

电流的正负号

电流的方向由右手定则判断:右手四指沿回路绕行方向弯曲,拇指所指为电流正方向。与拇指同向的电流取正,反向取负。

物理意义

这个定理说明磁场是有旋场(非保守场),旋度来源是电流。与电场的高斯定理对比:

电场磁场
通量定理(无磁单极)
环路定理(静电场保守)(有旋)

电场的高斯定理找“源”,磁场的环路定理找“旋”。这是两类场最本质的区别。

利用安培环路定理求磁场

对具有对称性的电流分布,可以方便地求出磁场:

电流分布磁场
无限长直导线
无限长螺线管内部( 为单位长度匝数)
环形螺线管内部

使用步骤:

1. 判断电流分布的对称性
2. 选取合适的闭合回路(安培环路)
3. 使 B 在回路上大小恒定、方向与回路平行或垂直
4. 计算环流,等于 μ₀ × 包围电流
5. 解出 B

关键技巧是选回路。回路选得好,积分可以化简为 。

修正形式

麦克斯韦指出,变化的电场也产生磁场(位移电流),完整的安培环路定理应修正为:

位移电流项 是麦克斯韦方程组的关键修正,它保证了电荷守恒,也预言了电磁波。

与毕奥-萨伐尔定律的关系

方法适用优点局限
毕奥-萨伐尔定律任意电流分布通用积分复杂
安培环路定理高对称性分布计算简单只适用于对称情形

两者本质等价,选择哪个取决于问题的对称性。

引出

安培环路定理是分析磁场分布的有力工具。变化磁场产生电场的规律由法拉第电磁感应定律描述。

磁场与电场共同构成了完整的麦克斯韦方程组。

位移电流为什么不产生焦耳热?