磁场的高斯定律
磁场的高斯定理说明
磁场的高斯定理说明磁场是一种毋庸置疑的现象，但是多年来，它一直是一个谜。
为了更好地解释这种现象，18世纪德国数学家卡尔高斯（Carl Gauss）提出了一个著名的定理，称为磁场的高斯定理。
他的定理把一个磁场的特性和一个带电体的电场的特性区分开来，从而导出了一些关于磁场的有用结果和结论。
高斯定理是一个重要的定理，表明磁力的总和只取决于外部的磁力，而不取决于内部的磁力。
它表明，一个电路中的磁感应定律总是一致的，无论位置处于未知的地方，磁感应定律都不会发生任何变化。
通过高斯定理，对电磁场的更深入的理解也就更容易了，这些理解是基于Biot-Savart定律和Maxwell方程的。
在Biot-Savart定律中，磁场由构成该磁场的电荷所产生，而Maxwell方程则描述了在电磁场中涉及到的特性，这些特性都是由一个双重理论支持的，即一个是由高斯定理定义的，另一个则是由Biot-Savart定律定义的。
对于任何一个空间中的磁场来说，高斯定理表明，该空间中的总磁流等于该空间中总磁场的旋转率。
可以说，高斯定理实际上是一个可以简化电磁学定律的定理，使我们能够更好地理解磁场的特性。
此外，高斯定理还可以用于解释电磁学中的磁感应定律，这个定律表明，一个电路中的磁感应定律总是一致的，无论它在什么位置处于未知的地方，磁感应定律都不会发生任何变化。
磁感应定律的最基本的概念就是磁场过任何点的总磁力等于那个点上的原子的总磁力。
高斯定理将磁感应定律表述得更加清晰，更易于理解。
另外，高斯定理还可以用来计算某个磁场中的电势，这对于实际设计电力系统是非常重要的。
这种电势可以用来计算电力系统中电压的幅值和内部的电流。
这又得益于高斯定理，它们的计算是在一个非常简单的方式下实现的。
以上就是磁场的高斯定理的基本内容，以及它如何帮助我们进行电磁场的研究和分析。
它对电磁场理论的发展和实际应用都非常重要，一直都有很多研究者为此做出了突出贡献。
75磁通量磁场的高斯定律76安培环路定理
1.分析磁场的对称性：根据电流的分布来分析； 2.过场点选取合适的闭合积分路径； 3.选好积分回路的取向，确定回路内电流的正负； 4.由安培环路定理求出B。
例1
求载流螺绕环内的磁场
解 1） 对称性分析； 环内 B
线为同心圆，环外 B 为零.
2）选回路 .
l B dl 2π RB 0NI
B 2r
0
I
I (r 2 (R32
R22 ) R22 )
R3
R1 R2
I I
r
B
0 I ( R32 r 2 ) 2r( R32 R22 )
r > R3 ,
B dl 0 I
B 2r 0
B=0
R3
R1 R2
I
I r
6. 无限大载流导体薄板
已知：导线中电流强度 I
I
单位长度导线匝数n
注意
电流 I 正负的规定 ：I 与 L 成右螺旋时， I 为正；反之为负.
Bdl
L
0 (I1
I1
I1
I2)
（0 I1
I
）
2
I1
I2 I3
I1
L
I1
问
1）B
是否与回路
L
外电流有关？
2）若 B d l 0 ，是否回路 L上各处 B 0？ L
是否回路 L 内无电流穿过？
3、说明
•符号规定：电流方向与L的环绕方向服从右手关系的 I为正，否 则为负。 •安培环路定律对于任一形状的闭合回路均成立。 •B的环流与电流分布有关，但路径上B仍是闭合路径内外电流的 合贡献。 •物理意义：磁场是非保守场，不能引入势能。
的无限长狭缝后，再沿轴向均匀地通上电流，
磁场中的高斯定理.
v B
线为闭合线，进入
曲面的磁力线数目等于
穿出曲面的磁力线数
S
目，即通过任意闭曲面 的磁通量恒等于零。
∫∫
Bv
⋅
v dS
=
0
S
上式称为磁场中的高斯定律。它反映了自然界中没有 单一磁极存在。磁场是无源场（涡旋场）。
例：如图，无限长导体通有电流 I，
dr
求通过矩形线圈的磁通量。
I
解：dΦ = BdS = µ0I l dr
v B
的量值：
B = ∆N ∆S⊥
∆N = B∆S⊥ = Φm (单位：T ⋅ m2－－Wb韦伯）
3、磁通量
通过一给定曲面的磁力线数称为通过该曲面的磁
通量。
dsv
v B
dΦ
=
BdS
cosθ
=
v B
⋅
v dS
Φ
=
∫
dΦ
=
∫∫
Bv
⋅
v dS
S
nv
三、磁场中的n高v 斯定律 规定曲面外法线方向为正。
v B
l
2πr
a
b
r
∫ ∫ Φ = dΦ = a+b µ0I l dr
a 2πr
= µ0I l ln a + b 2πr a
第二节 磁通量 磁场中的高斯定理
一、磁力线 磁通量
1、磁力线
曲线上各点切线方向为该点来自r B的方向，用磁力
线的疏密来表示磁场的强弱。
性质：(I) 磁力线不会相交。 (II) 磁力线为闭合线。
电力线和磁力线的不同反映了电场和磁场基本性质的 不同。 电场－－有源场
磁场－－涡旋场
2、磁在力与线B密v 垂度直的平面上取单位面积的磁力线数等于该点
磁场的高斯定理和安培环路定理
解:
Bp
发生变化. 发生变化.
I2 I1
∫
L
B dl 不发生变化 P
L
例如: 例如: I1 >0 L I2<0 I1 I2 I3 L I L
I3
∫
L
B dl = o ( I1 I 2 )
∫
L
B dl = o ( I1 + I 3 )
∫ B dl
l
= 4 0 I
二,安培环路定理
∑Ii
i =0
§8-4
稳恒磁场的高斯定理与 安培环路定理
一,稳恒磁场的高斯定理
由磁感应线的闭合性可知, 对任意闭合曲面, 由磁感应线的闭合性可知 , 对任意闭合曲面 , 穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同, 穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同 , 因此,通过任何闭合曲面的磁通量为零. 因此,通过任何闭合曲面的磁通量为零.
Φ = BS 2 = (6i + 3 j + 1.5k ) (0.15) i = 0.135Wb ( 2) z Φ = ∫∫ B dS = 0
S
O l
x
l
l
一长直导线通有电流I 距其d 例,一长直导线通有电流I,距其d处有 一长为a 宽为b的长方形, 一长为a,宽为b的长方形,求通过这个 长方形的磁通量. 长方形的磁通量.
n
闭合回路所包围的所有电流 的代数和. 的代数和. 所取的闭合路径上各点的磁 感强度值, 感强度值,是由闭合路径内 外所有的电流产生的. 外所有的电流产生的.即是 由空间所有的电流产生的. 由空间所有的电流产生的.
B
二,安培环路定理
定理的物理意义 由安培环路定理可以看出, 由安培环路定理可以看出,由于 磁场中的磁感强度的环流一般不 为零,所以磁场是非保守场 非保守场. 为零,所以磁场是非保守场.
磁场的高斯定理为
磁场的高斯定理为
真空静电场的高斯定理：∮EdS=(∑Q)/ε0
稳恒磁场的高斯定理：∮BdS=0
这两个结论的不同揭示了静电场和磁场的一个差异：
静电场是有源场，它的电场线不会闭合，所以对一个封闭曲面的通量不一定为0；而稳恒磁场是无源场，它的磁场线是封闭的，有多少条磁场线穿出曲面，相应就有多少条磁场线穿进曲面，所以磁场对一个封闭曲面的通量恒为0。
用比较专业的场论术语来说，就是：静电场是有源场，散度一般不为0；稳恒磁场是无源场，散度恒为0。
静电场中的环路定理：∮Edl=0(l是L的小写，不是数字1）
稳恒磁场的安培环路定律：∮Bdl=（∑I)/μ0 （∑后面的是字母i的大写）
这两个不同的结论又反映了静电场和磁场的另一个差异：
静电场是无旋场，即它的旋度恒为0，所以静电场对环路积分结果为0；
稳恒磁场是有旋场，一般旋度不为零，所以磁场对环路的积分一般不等于0。
恒定磁场高斯定理公式
恒定磁场高斯定理公式
恒定磁场高斯定理：
1. 定义：恒定磁场高斯定理是物理学中一种物理学定理，其主要涉及
到磁场如何影响物体，及磁场是如何分布的。
2. 原理：恒定磁场高斯定理称为「磁产生定律」，这个定律表明：磁
场的强度、施加力的大小和物体的深度之间的关系是简单的高斯模型，即在空间上，磁场的强度衰减率满足高斯型模型，而不是简单的正弦
型模型。
3. 应用：恒定磁场高斯定理常用来描述磁场的强度分布，如果一个磁
场内没有任何外部质量或电流的影响，那么磁场的强度衰减率将满足
高斯型模型。
这一定律经常用于测量磁场的强度，以了解地磁场的强
度分布和磁场方位，以及估计电磁散射层的厚度。
4. 公式：恒定磁场高斯定理的数学公式表述为，若将物体的中心视为
原点，则磁场的强度B随着距离r的变化满足：
$$B(r)=\frac{B_0}{1+\left(\frac{2c}{r}\right)^2}$$
其中，B_0为物体中间磁力线的平均强度，而c是磁场到物体中心的距离。
5. 参考：E.W Jorry曾表明恒定磁场高斯定理，这个定律经常被用于研究地磁场和大气层。
6. 总结：测量磁场强度及分布与恒定磁场高斯定理有关，它给出了磁场强度衰减率满足高斯型模型的物理定律，广泛的应用于地磁方位、磁场强度分布和电磁散射层厚度估计等等方面。
07磁场的高斯定理和安培环路定理
I
r L
B
7
安培环路定理为我们提供了求磁感应强度的另一种 方法。但利用安培环路定理求磁感应强度要求磁场具有 方法。但利用安培环路定理求磁感应强度要求磁场具有 高度的对称性 。 利用安培环路定理求磁感应强度的关健： 利用安培环路定理求磁感应强度的关健：根据磁 场分布的对称性，选取合适的闭合环路。 场分布的对称性，选取合适的闭合环路。 3、选取环路原则 (1)环路要经过所研究的场点。 环路要经过所研究的场点。 环路要经过所研究的场点 (2)环路的长度便于计算； 环路的长度便于计算； 环路的长度便于计算 r r (3)要求环路上各点 B 大小相等，B 的方向与环路 大小相等， 要求环路上各点 方向一致， 方向一致， r r µ0 ∑ I I 写成 B = 目的是将: B ⋅ dl = µ0 目的是将
3
2、磁通量
dΦm
r B
磁通量: 通过任一曲面的磁力线的条数。 磁通量 通过任一曲面的磁力线的条数。 1）穿过一面元的磁通量dΦ m ）
r r d Φ m = B ⋅ dS 单位：韦伯，Wb 单位：韦伯，
2）穿过某一曲面的磁通量 ）
dS
S
Φm = ∫
S
r r d Φ m = ∫ B ⋅ dS = ∫ BdScosθ
a
b
r B
d
c
r B外 = 0
r cr r d r r ar r r r b r B ⋅ dl = ∫a B ⋅ dl + ∫b B ⋅ dl + ∫c B ⋅ dl + ∫d B ⋅ dl ∫ r r r c r a r r Q B ⊥ d l , cosθ = 0 ∫b B ⋅ dl = ∫d B ⋅ dl = 0, r d r r B = µ0nI B 螺线管外： 螺线管外： 外 = 0, ∫ B ⋅ dl = 0
133磁场的基本特征 高斯定理和安培环路定理
S 恒定电流磁场是散度为零的场 B = 0
B d S = 0
1
1.磁感线
切线方向—— B 的方向； 疏密程度—— B 的大小.
I I I
2
I S N S I N
3
直线电流的磁感应线
I I B
4
圆电流的磁感应线
I
5
通电螺线管的磁感应线
I
I
6
各种典型的磁感应线的分布：
围绕单根载流导线的任一回路 L
L2
对L每个线元 d l 以过垂直导线平面作参考分解 为分量 dl// 和垂直于该平面的分量 d l d l B 0 B d l B d l B d l //
L
B d l B d l I 证明步骤同上 // 0 L L //
直线电流的磁感线
圆形电流的磁感线
7
直螺线管电流的磁感线
环形螺线管电流的磁感线
8
1.磁力线的特征 无头无尾 与电流套连 与电流成右手螺旋关系 闭合曲线
I
2. 磁通量
B d s 单位：韦伯(Wb) m S
9
2. 磁通量 磁场的高斯定理
S B
ΔN B ΔS
磁场中某点处垂直 B 矢量的单位面积上 通过的磁感线数目等于该点 B 的数值.
讨论
S 0 1）Bd
S
磁场的基本性质方程
2）关于磁单极：
将电场和磁场对比： 由电场的高斯定理
d Sq 0 D
S
可把磁场的高斯定理写成 与电场类似的形式
BdS qm
S
q0 －自由电荷
qm － 磁荷
磁场中的高斯定理
高斯定理表明，在通电导线周 围的磁场中，穿过任意一个闭 合曲面的磁通量等于电流的代 数和。
通过高斯定理，可以计算出通 电导线周围的磁场分布和特点， 例如磁场的方向和强度。
磁通量的计算实例
磁通量是指穿过某个面的磁场的强弱和方向的量。通过计算磁通量，可 以了解磁场的分布和特点。
计算磁通量需要使用高斯定理，通过积分来计算穿过某个面的磁通量。
磁场矢量场
高斯定理的应用使得我们可以方便地处理磁场矢量场问题。通过计算矢量场的散度，我们可以得到特定区域内磁 场的变化情况，从而更好地理解磁场的行为和性质。
磁场中的高斯定理的推导
高斯定理推导
高斯定理在磁场中的推导基于磁场的高斯定理和安培环路定律。通过引入磁通量密度和磁通量等概念 ，我们可以利用微积分的方法推导出高斯定理在磁场中的形式。
磁场与电场的关系
磁场和电场是相互联系的，变化的电 场会产生磁场，变化的磁场也会产生 电场。因此，磁场和电场可以相互转 化，形成电磁波。
磁场的方向
磁场的方向
在磁场中任意一点，磁场都有一个特定的方向，称为该点的磁场方向。磁场方 向可以通过放入该点的磁针的指向来确定，磁针的北极指向磁场方向。
磁场方向的确定
高斯定理表明，在磁场中，穿过任意一个闭合曲面的磁通量等于零，即磁场是无源 场。
在地球磁场中，由于地球内部的物理过程，产生了磁场分布。高斯定理可以用来分 析地球磁场的分布和特点，例如地磁场的极性和强度分布。
通电导线周围的磁场高斯定理分析
当导线中电流发生变化时，会 在导线周围产生磁场。高斯定 理可以用来分析这个磁场的分 布和特点。
磁场大小的测量
测量磁场大小的方法有多种，如高斯计、特斯拉计等。这些 仪器通过测量磁感应线的密度或磁通量来计算磁场的大小。 在地球表面，地磁场的大小约为0.5-0.6特斯拉。
13-3磁场的基本特征高斯定理和安培环路定理
B 0I0I 0I 8R1 4R1 8R2
36
例8 通电导体的形状是：在一半径为R的无限长
的导体圆柱内，在距柱轴为 d 远处，沿轴线方
向挖去一个半径为 r 的无限长小圆柱。如图。
导为体J内均匀通过电流，电流密度
J
求：小圆柱空腔内一点的磁感强度
分析：由于挖去了一个小圆柱， 使得电流的分布失去了对轴线的 对称性，所以无法整体用安培回 路定理求解。
例1：求无限长载流圆柱体磁场分布。
解：圆柱体轴对称，以轴上一点为 I
圆心取垂直轴的平面内半径为 r 的
圆为安培环路
L B d l 2 π r B0
I
dl ''
B 0I
r R
2 πr
B
dB
dl '
rBdl0IR r2 2 B2 π 0R Ir2 rR
由安环定理有 2πrB0 Ii
i
30
解得
2πrB0 Ii
i
0 Ii
B i 2πr
若场点在圆柱内，即 r < R
包围的电流为 Ii Jπr2
i
则磁感强度为 B0Jπr2 0Jr
2πr 2
若写成矢量式为
B
0
Jr
2
J I S
IR
J
r
B
31
解得
特殊形状电流产生的
fI
场的叠加， 即
B B a b B b c B c d B d e B ef
R1 R2
eI
b
I
由毕萨拉定律得到各电流的磁感强度分别是
Bbc
1 0I
真空中磁场的高斯定理
高斯定理在磁场中的应用
计算磁场强度
确定磁场性质
通过高斯定理，可以计算出闭合曲面 内的磁场强度，从而了解磁场分布情 况。
高斯定理可以帮助我们确定磁场性质 ，例如在地球磁场中，高斯定理可以 帮助我们了解地球磁场的分布和强度 。
判断磁感应线的分布
高斯定理可以帮助我们判断磁感应线 的分布情况，例如在电流周围产生的 磁场中，高斯定理可以帮助我们判断 磁感应线的走向和密度。
数学表达式为
∮S B·dS = ΣI / μ0，其中B是磁场强度 ，dS是曲面S上的面积元素，ΣI是曲面 内包围的电流的代数和，μ0是真空中 的磁导率。
高斯定理的意义
高斯定理是磁场的基本定理之一，它反映了磁场与电流之间的关系。
高斯定理表明，在真空中，磁场是由电荷和电流产生的，并且磁场的分布可以通过电流来描述和预测 。
磁场高斯定理在科研问题中的应用
在科研领域，磁场高斯定理的应用也十分广泛。例如 ，在粒子物理和天体物理研究中，我们需要了解磁场 分布和演化规律，以便更好地理解宇宙中的各种现象 。
磁场高斯定理是研究这些问题的基本工具之一，它可以 帮助我们揭示宇宙中磁场的奥秘，进一步推动相关领域 的发展。此外，在生物医学研究中，磁场高斯定理也被 用于研究生物体的磁场感应和磁性药物等方向。
高斯定理的证明方法
高斯定理可以通过微积分的方法进行 证明，包括对磁场强度B的散度进行 积分运算。
VS
证明的关键在于理解磁场线无头无尾 的特性以及磁场与电流之间的关系。
高斯定理的应用
高斯定理在电磁学中有着广泛的应用，例如 计算磁场的分布、确定电流产生的磁场等。
高斯定理还可以与其他电磁学定理结合使用 ，例如与安培环路定律、法拉第电磁感应定
磁场的高斯定理和安培环路定律
0I
是否成立？？？
设任意回路L在垂直于导线的平面内，与电流
成右手螺旋。
l B dl Bdl cos
0I
2πr
dlc
os
d
B
I
dl
r
0I
2πr
rd
0I
2π
d
l
B dl
l
0I
dl cos rd
闭合回路不环绕电流时
B1
0I
2 π r1
B2
0I
2 π r2
B1
B2
d
I
dl1
r1
dl2
I
I
解：取垂直纸面向里为法
B
线方向，以导线1所在位
置为坐标原点，建立如图 所示的坐标轴。
x
l
取细长条面元，面元内为
均匀磁场
a aa
B
0I 2x
2
0I
3a
x
o
x
窄条形面元的元磁通为
dm B dS BdS Bldx I
通过矩形面积内的磁通量
m
dm
2a
Bldx
a1
2a
a
0I 2x
2
0I
o
B 0I
2π x
B // S
x
方向垂直于纸面向里
dΦ BdS 0I ldx I
2π x
B
Φ
S
B dS
0Il
2π
d2
d1
dx x
l
Φ 0Il ln d2
2π d1
d1 d2
o
x
例2 两平行的无限长直导线通有电流 I , 相距3a，
矩形线框宽为a，高为l与直导线共面，求通过线框的
磁高斯定理
磁高斯定理
磁高斯定理（Maxwell's theorem）是磁力学的重要定理，由英国
物理学家乔治·马克斯韦（George Maxwell）于1865年提出。
它解释
了磁场的电流和旋转矢量之间的关系，是磁力学最根本的定律。
磁高斯定理可以用数学形式来表示：∇ × B = μ0J，其中B为
磁场，J为电流密度，μ0为真空磁导率（μ0=4π×10-7H/m），∇是
矢量求导运算符号。
这个定理描述了一个简单的物理现象：电流的旋
转产生了磁场，所以它是磁力学的基础。
磁高斯定理非常重要，可以解释各种电磁相关的现象。
它提供了
一种理解电磁学中电流向量、磁场强度和磁矢量之间关系的方法。
马
克斯韦在提出它的定理后，将电磁学理论推向了一个新的高度。
此外，磁高斯定理也可以用来解决电磁学中各种实际问题。
例如，它可以解释磁场强度的变化情况，从而帮助我们探索和分析电磁学现象。
总之，磁高斯定理是电磁学的基石，是磁力学的重要定理。
它不
仅能够精确地描述电磁学上的实际现象，而且可以结合其它电磁学定律，来求解一些复杂的实际问题。
磁场的高斯定理和安培环路定理
L
I
dϕ v
dB
v v B ⋅ dl = Brdϕ v v µ0I ∫L B⋅ dl = ∫L rdϕ = µ0I
2 r π
在围绕单根载流导线的 垂直平面内的任一回路。 垂直平面内的任一回路。
v v I B ⋅ dl = Brdϕ v v µ0I ∫L B⋅ dl = ∫L rdϕ = µ0I
2 r π
6
3. 安培环路定理的应用 例1：求无限长载流圆柱体磁场分布。 ：求无限长载流圆柱体磁场分布。 圆柱体轴对称， 解：圆柱体轴对称，以轴上一点为 I 圆心取垂直轴的平面内半径为 r 的 圆为安培环路
v v Q∫ B⋅ dl = 2πrB = µ0 ∑I
L
v dB
dl'
2πr v r Ir 2 ∴ ∫ B ⋅ dl = µ0 2 r R
为均匀磁场，并且大小相等，但方向相反。 为均匀磁场，并且大小相等，但方向相反。
o dl ' ' a
b
结果： 结果：在无限大均匀平面电流的两侧的磁场都
13
ab bc cd da
无垂直于轴的磁场分量，管外部磁场趋于零， 无垂直于轴的磁场分量，管外部磁场趋于零， 因此管内为均匀磁场，任一点的磁感应强度为： 因此管内为均匀磁场，任一点的磁感应强度为：
r r ∫ B ⋅ dl = Bab ⇒ Bab = µ 0nab I
∴B = µ0nI
9
其方向与电流满足右手螺旋法则。 其方向与电流满足右手螺旋法则。
v v 表达式 ∫ B⋅ dl = µ0 ∑Ii
L i
符号规定： 符号规定：穿过回路 L 的电 流方向与 L 的环绕方向服从右 手关系的， 为正，否则为负。 手关系的，I 为正，否则为负。
11-4磁场的高斯定理和安培环路定理
单根导线产生的磁场
所有电流 的总场
L
L
Bn dl 0 I n
B1 dl 0 I1
L Bn1 dl 0 Bnk dl 0
L
任意回路
L
B dl 0 I i
i
穿过回路 的电流
7
在理解这个定理时，应注意以下几个问题 （1） 定理中的B是安培环路L上任意一点的磁感 应强度，它是由空间所有电流共同产生的。定理中 的 Ii则是安培环路L所包围的电流的代数和。 （2）矢量B的环路积分不恒等于零，说明稳恒磁 场不是保守力场，而是有旋场，所以在磁场中不 能引入势能(标量势)的概念。 （3）定理只适用于稳恒电流的磁场。由于稳恒电 流是闭合的，所以对于不闭合的有限长的载流导线， 安培环路定理不适用；
dl ' o dl ' ' 做 PO 垂线，取对称的长直 电流元，其合磁场方向平行于电流平面。无数对 称元在 P点的总磁场方向平行于电流平面。
电流平面无限大，故与电流平面等距离的各点
B 的大小相等。在该平面两侧的磁场方向相反。 16
作一安培回路如图： bc和 da两边被电流平面 等分。ab和cd 与电流平
B dl 0
根据安培环路定理，该安培环路一定包围电流。 由此可得结论：磁感应线总是与产生它的电流回 10 路套连在一起的。
3. 安培环路定理的应用 例1：求无限长载流圆柱体磁场分布。 解：圆柱体轴对称，以轴上一点为 I
圆心取垂直轴的平面内半径为 r 的 圆为安培环路
B dl 2πrB 0 I
8
边长为2a的正方形闭合回路 CDEFC，所通电流为I。现仅讨 论CD段，取中心处于其中点且 与其垂直的半径为r的圆为安培 环路，CD段所激发的磁场在圆 上各点的磁感应强度为 0 Ia BCD 2r (a 2 r 2 )1/ 2 BCD的方向与圆周相切，与电流的方向成右螺旋 关系。沿此圆周的环路积分为 0 Ia BCD dl 2 2 1/2 0I
电磁场的高斯定律及电流连续性方程
V
V dV
0
(
4 3
πb3
4 3
πa3 )
4 3
π0 (b3
a3
)
0 Ra
b
可得：
D3
0
(b3 3R2
a3 ) aˆR
2、磁场的高斯定律
根据磁场线的连续性： B dS 0 ——麦克斯韦第四方程。 S
该式的物理意义： 通过任何闭合曲面的磁通量恒为零。磁场线总是连续的，它
不会在闭合曲面内积累或中断，故称磁通连续性原理。
q
y
E dS n qi
S
i1 0
r
x
如果闭合曲面内含有连续分布的电荷，则：
E dS 1
S
0
V V dV
已知：
E dS 1
S
0
V V dV
D 0E
D dS S
V V dV
——麦克斯韦第三方程。
该式的物理意义：穿过任何闭合曲面的电通量等于该闭合曲面 所包围的总电荷量。
例：一均匀带电球壳，电荷密度为 0 ，球壳内外半径分别为a、b，
小结：
1、电场的高斯定律
D dS S
V V dV
2、磁场的高斯定律 3、电流连续性方程
S B dS 0
S
JC
dS
V
V dV
t
2.9 电磁场的高斯定律和电流连续性方程
1、电场的高斯定律 2、磁场的高斯定律 3、电流连续性方程
1、电场的高斯定律
若以点电荷q为中心，做一半径为R 的球面，则电场强度穿出该球
面的通量为：
z
E dS S
2π 0
π 0
q
40R2aˆRFra bibliotekaˆRR2
磁场中的高斯定理公式
磁场中的高斯定理公式
磁场中的高斯定理公式：∮EdS=(∑Q)/ε0，高斯定理也称为高斯通量理论，或称作散度定理、高斯散度定理、高斯－奥斯特罗格拉德斯基公式、奥氏定理或高－奥公式。
在静电学中，表明在闭合曲面内的电荷之和与产生的电场在该闭合曲面上的电通量积分之间的关系。
高斯定律表明在闭合曲面内的电荷分布与产生的电场之间的关系。
高斯定律在静电场情况下类比于应用在磁场学的安培定律，而二者都被集中在麦克斯韦方程组中。
因为数学上的相似性，高斯定律也可以应用于其它由平方反比律决定的物理量，例如引力或者辐照度。
磁场高斯定理
磁场高斯定理磁场的高斯定理：对于任意磁场B(r)B(r)和任意闭合曲面，曲面上的磁通量为零。
∮B(r)⋅ds=0(1)(1)∮B(r)⋅ds=0也就是说空间任意一点的磁场散度为零。
适用高斯定理可以写成微分形式：∇⋅B=0(2)(2)∇⋅B=0接下来我们试着验证一下这一结论是否和我们之前的理论是一致的，也就是说我们能否直接从比奥萨伐尔定律所给出的磁场B(r)B(r)推出，首先我们考虑静磁场下，电流是恒定的，因此电流密度j j不会在某一个点聚集或者散开，因此有：∇⋅j=0(3)(3)∇⋅j=0结合比奥萨伐尔：B(r)=μ04π∫j(r′)×(r−r′)|r−r′|3dV′(4)(4)B(r)=μ04π∫j(r′)×(r−r′)|r−r′|3dV′利用矢量乘法的规则可得：∇⋅(j×(r−r′)|r−r′|3)=(r−r′)|r−r′|3⋅(∇×j)−j⋅(∇×(r−r′)|r−r′|3)(5)(5)∇⋅(j×(r−r′)|r−r′|3)=(r−r′)|r−r′|3⋅(∇×j)−j⋅(∇×(r−r′)|r−r′|3)由于∇×(r−r′)|r−r′|3=0∇×(r−r′)|r−r′|3=0：∇⋅B=0(6)(6)∇⋅B=0注意磁场高斯定律适用于经典电动力学的任何情况，而后者只适用于静态的情况。
磁场的高斯定律实际上是电场的高斯定律在磁学中的对应，它反映了自然界没有孤立的磁单极（或者我们还没找到）。
形象地看，任意一条磁感线都不会起始或终止于空间中的某一点，它要么是闭合的回路，要么从无穷远来延伸到无穷远去。
正因为磁场的这条性质，我们可以将磁感应强度B B写成某个矢量场A A的旋度，其中A A称为矢量势（矢势）。
磁场的高斯定理,说明
磁场的高斯定理,说明高斯定律（gauss' law），属物理定律。
在静电场中，穿过任一封闭曲面的电场强度通量只与封闭曲面内的电荷的代数和有关，且等于封闭曲面的电荷的代数和除以真空中的电容率。
该定律表明在闭合曲面内的电荷分布与产生的电场之间的关系。
静电场中通过任意闭合曲面（称高斯面）s 的电通量等于该闭合面内全部电荷的代数和除以真空中的电容率，与面外的电荷无关。
物理定律由于磁力线总是闭合曲线，因此任何一条进入一个闭合曲面的磁力线必定会从曲面内部出来，否则这条磁力线就不会闭合起来了。
如果对于一个闭合曲面，定义向外为正法线的指向，则进入曲面的磁通量为负，出来的磁通量为正，那么就可以得到通过一个闭合曲面的总磁通量为0。
这个规律类似于电场中的高斯定理，因此也称为高斯定理。
与静电场中的高斯定理相比较，两者有著本质上的区别。
在静电场中，由于自然界中存有着单一制的电荷，所以电场线存有起点和终点，只要闭合面内有净余的也已（或负）电荷，沿着闭合面的电通量就不等于零，即为静电场就是有源场；而在磁场中，由于自然界中没单独的磁极存有，n极和s极就是无法拆分的，磁感线都就是无头无尾的滑动线，所以通过任何闭合面的磁通量必等于零。
特别要强调两点： 1.关于电场线的方向的规定：电场线上每一点的切线方向就是该点电场的方向。
2.关于电场线的疏密的规定：电场线在某处的疏密要反映电场强度的大小，即在电场中通过某一点的电场线的数密度与该点电场强度的大小呈正相关，即： e=dn/ds，其中ds是在电场中的某一点取一个通过该点的且与电场线垂直的微分面，dn就是穿过该面ds的电场线的根数。
高斯定理来源于库仑定律,依赖场强共振原理,只有当电场线密度等同于场强悍小时场线通量就可以与场强通量等同于,并统一遵守高斯定理。
高斯面上的实际场强就是其内外所有电荷产生的场强共振而变成的合场强。
但利用高斯面所求出的场强则仅仅就是分析高斯面上场强原产时所牵涉的电荷在高斯面上产生的合场强,而不涵盖未牵涉的电荷所产生的场强。
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3 不围绕单根载流导线，在垂直平面内的任一回路
I
L1 L2
4 围绕单根载流导线的任一回路 L
对 L上每一个线元 dl ，可通过该垂直于导线的平面
作参考，分解为在此平面的分量 dl //和垂直于该平 面的分量 dl 则
L L// L
d l B 0 B d l B d l B d l //
S
CAIUPS的磁力线
演示长直载流导线、 圆电流线圈以及螺 线管的磁场分布。 可用手动调控；
E
q
S
B
V
B
B
由电流与磁场的关系可知电流元的磁力线都是 圆心在电流元轴线上的同心圆。磁力线是无头 无尾的闭合曲线。 任何磁场中通过任意封闭曲面的磁通量等于零。
B d S 0
R1
L
p
设螺绕环的半径为 R1 , R2 ，共有N匝线圈。 以平均半径 R 作圆为安培回路 L,可得：
B dl B2R o N I
L
B o nI R1 r R2 N 2Rn
n 为单位长度上的匝数。
其磁场方向与电流满足右手螺旋。
c'
d'
因为无垂直于轴的磁场 分量，又无电流穿过 L 回路，根据安培环路定 理及轴上磁场得出，管 内任一点的磁感应强度。 LB dl Bab ab Bcd cd
B
b c
a d
0
其方向与电流满足右手螺旋.
Bab Bcd B o nI
同理可证，无限长直螺线管外任一点的磁场为零。 选矩形回路c’d’边在管外。学生自行证明。
I1
I nk
L
L
Bn dl 0 I n
任意回路
B1 dl 0 I1
所有电流的总场
B dl o I i
L i
L Bn1 dl 0 穿过回路的电流 Bnk dl 0
L
二、安培环路定理的应用
* 求无限长圆柱面电流的磁场分布(半径为 R )
2 在围绕单根载流导线的垂直平面内的任一回路。 dB
B dl Brd
o I LB dl L 2r rd o I
L
I
dl
d
dl LB dl L1B dl LB 2 o I [ ( )] 0 2
3 求载流螺绕环内的磁场 设环很细，环的平均半径为R ， 总匝数为N，通有电流强度为 I
B
R2
分析磁场结构，与长直螺旋管 类似，环内磁场只能平行与线 圈的轴线（即每一个圆线圈过 圆心的垂线）。 根据对称性可知，在与环共 轴的圆周上磁感应强度的大 小相等，方向沿圆周的切线 方向。磁力线是与环共轴的 一系列同心圆。
《基础物理学》路果编著p345 《大学物理学》卢德馨编著 p370
n q qm 2
式中
q是 电荷 、qm是磁荷。
§6.4 安培环路定理
安培环路定理的表述和证明：
表述：在稳恒电流的磁场中，磁感应强度B
n 1
沿任何 闭合回路L的线积分，等于穿过这回路的所有电流强 度代数和的 o 倍 I I
S
高斯定律
S
任何磁场中通过任意封 闭曲面的磁通量等于零。 B d S 0
B
可用电流元的磁场和叠加原理证明。
磁力线的特点：
* 闭合或两头伸向无限远。
* 闭合的磁力线和载流回路
象锁链互套在一起。
I
B
I
I
* 磁力线和电流满足右手螺旋法则。
磁单极子(Magnetic monopole)
和电场的高斯定律相比，可知磁通量反映自 然界中没有与电荷相对应的“磁荷”（或叫 单独的磁极）存在。但是狄拉克1931年在理 论上指出，允许有磁单极子的存在，提出：
电荷量子化已被实验证明了。 然而迄今为止，人们还没有发现可以 确定磁单极子存在的实验证据。 如果实验上找到了磁单极子，那么磁场的高 斯定律以至整个电磁理论都将作重大修改。
r
* 求载流无限长直螺线管内任一点的磁场
一个单位长度上 有 n匝的无限长 直螺线管。由于 是密绕， 每匝 视为圆线圈。 由对称性分析场结构 a.只有轴上的分量；
B
b.因为是无限长， 在与轴等距离的 平行线上磁感应 强度相等。
取L矩形回路, ab 边在 轴上，边cd与轴平行,另 两个边垂直于轴。
分析场结构：有轴对称性 以轴上一点为圆心，取垂直于轴 的平面内半径为 r 的圆为安培环路
I
dS ''
dS
'
dB
B dl 2rB o I
L
' dB
'' dB
B 0
o I B 2r
rR
rR
B
无限长圆柱面电流外面的磁场与电流 都集中在轴上的直线电流的磁场相同
第六章 磁场
§6.3 磁场的高斯定律
磁通量(Magnetic flux)
用磁力线的疏密表示磁场 B 的强弱， 磁力线的切线方向表示磁场的方向。 B 可以看成是单位面积上的磁通量。
单位是[Wb/m2] 通过任意S面的磁通量 B ， 其数学表达式：
B
I
B B dS
数学表达式：
L
B dl o I i
i
L
2
I1
符号规定：穿过回路L的电流方向 与L的环绕方向服从右手关系的 I 为正，否则为负。
不计穿过回路边界的电流； 不计不穿过回路的电流
Ii
I nk
证明步骤： 1 在围绕单根载流导线的垂直平面内的圆回路。
L I
d
dB
B dl Brd o I LB dl L 2r rd o I
B dl B dl// 0 I
L L//
同上述步骤证明
L
I n 1
I2
5 围绕多根载流导线的任一回路 L
Ii 设有 I1 , I 2 , I 3 I n 穿过回路L， I n 1 , I n 2 I n k 不穿过回路L 令 B 1 , B2 Bn k 分别 为单根导线产生的磁场