磁场高斯定理证明
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.
12磁场的高斯定理和安培环路定理解读
穿过一面元的磁通量：
d m BdS BdS cos B dS 式中：dS dSn ˆ 称为面元矢量。 ˆ 为法线方向单位矢量。 n
4
2.穿过某一曲面的磁通量
m d m B dS
d m
B
BdS cos
dS
ˆ n
S
3.穿过闭合曲面的磁通量
m d m B dS
规定：取闭合面外法线方向为正向。 磁力线穿出闭合面为正通量， 磁力线穿入闭合面为负通量。
2
B
磁通量单位：韦伯，Wb
2
ˆ n
Байду номын сангаас
B
5
3.磁场中的高斯定理 定理表述：穿过任意闭合面的磁通量等于 0。
dB
dB ' dB' '
dl '
p
d
dl ' '
l
c
B
结果
o j
2
o
方向如图所示。
a
b
在无限大均匀平面电流的两侧的磁场都为 均匀磁场，并且大小相等，但方向相反。
15
例5 一矩形截面的空心环形螺线管，尺寸如图所示， 其上均匀绕有N匝线圈，线圈中通有电流I。试求： （1）环内距轴线为r 远处的磁感应强度；（2）通过 螺线管截面的磁通量。 I
解：在管内作环路半径为 r的圆环 ，
环路内电流代数和为： I NI
rR
o R1
2
当 r >> ( R2 – R1) 时N n 为沿轴向线圈密度；
0 NI B 2r 0 NI B 2r
磁场中高斯定理公式
磁场中高斯定理公式磁场中的高斯定理什么是磁场中的高斯定理？磁场中的高斯定理是一种描述磁场分布的物理定律，它与电场中的高斯定理类似。
磁场中的高斯定理告诉我们，通过任意闭合曲面的磁通量等于该闭合曲面内磁场的总极化矢量。
高斯定理的数学表达式磁场中的高斯定理可以用以下数学公式来表示：∮ B · dA = μ0 * Φ其中， - ∮ 表示对整个闭合曲面的积分运算； - B 表示磁场的磁感应强度； - dA 表示曲面上的微小面积元素； - μ0 表示真空中的磁导率，其值约为× 10^-6 H/m； - Φ 表示通过闭合曲面的磁通量。
如何理解高斯定理？为了更好地理解磁场中的高斯定理，我们来看一个例子。
假设有一个无限长直导线，通过这条导线的电流为I，我们想要计算该导线所产生的磁场在某表面上的磁通量。
我们可以选择一个以导线为轴线、面积为A的柱状闭合曲面，这个闭合曲面穿过导线并覆盖了所有的磁场线。
根据高斯定理，这个柱状闭合曲面上的磁通量等于该曲面内磁场的总极化矢量。
因为该闭合曲面只有一个入口和一个出口，而且导线内部的磁场线是圆形的，所以曲面上的磁场线数是一样的。
由于磁场线在柱状闭合曲面的投影面积都是相同的，所以曲面上的磁通量也是相同的。
根据高斯定理的数学表达式，磁场的磁通量等于磁感应强度与曲面上的微小面积元素的点积之和。
所以对于这个闭合曲面，磁通量可以表示为：Φ = B * A根据高斯定理的公式：∮ B · dA = μ0 * Φ我们可以得出：B * A = μ0 * Φ从而得出导线所产生的磁场的磁感应强度为：B = (μ0 * Φ) /A这个例子展示了如何使用高斯定理来计算闭合曲面中的磁通量。
通过选择合适的曲面和断面面积，我们可以方便地计算任何形状导线所产生的磁场的磁感应强度。
总结磁场中的高斯定理是一种描述磁场分布的重要定理。
它告诉我们，通过任意闭合曲面的磁通量等于该闭合曲面内磁场的总极化矢量。
磁场的高斯定理说明
磁场中的高斯定理说明磁场的性质：对一封闭曲面来说，一般取向外的指向为正法线的指向。
这样从闭合面穿出的磁通量为正，穿入的磁通量为负。
由于磁感线是闭合线，那么穿过任一封闭曲面的磁通量一定为零。
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。
磁通量 磁场的高斯定理
B
B
0 I
dl
（5）多电流情况
I1
I2
I3
B B1 B2 B3 B d l 0 ( I 2 I 3 )
l
l
以上结果对任意形状 的闭合电流（伸向无限远 的电流）均成立.
n B dl 0 Ii i 1
安培环路定理
B
0 I
B
dB
I
.
dI
B
B
的方向与 I 成右螺旋
0 r R,
r R,
I
2π R 0 I B 2π r
B
0 Ir
2
0 I
2π R
B
R
o R
r
rR
0 I B 2r
区域：
rR
0 Ir B 2R 2
区域：
I
思考：具有一圆柱形空腔的无限长载流 圆柱，求空腔内的磁场?
B dl B (d l d l// )
L L
(4) 如果闭合曲线不在垂直 于导线的平面内：
B cos 90 dl B cos dl//
L L
I
0 Br d
L
dl
dl
dl
2
0
0 I r d 2 r
结果一样！
I
L 成右螺旋时，
二 安培环路定理的证明 （1）载流长直导线的情况
0 I l B dl 2π Rdl 0 I l B dl 2π R l dl B dl 0 I
l
0 I B 2πR
I
o
B
R
磁场的高斯定理
一 磁感线 规定：曲线上每一点的切线方向就是该点的磁感 规定：曲线上每一点的切线方向就是该点的磁感 切线方向 的方向，曲线的疏密程度 疏密程度表示该点的磁感强度 强度 B 的方向，曲线的疏密程度表示该点的磁感强度 B 的大小 的大小.
I I I
磁通量(Magnetic flux)v • 磁通量
单位 1Wb = 1T × 1m
2
v B
S
I
v B
v 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。 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。 的闭合曲线。 r v v dB⋅ dS = 0 dB 是电流元的磁场
∫∫
S
载流导线的磁场
r r r r B = dB1 + dB2 + L + dBn + L
µ0 I
x
s⊥
θ
s
v B
θ v B
v dS
v en
B
磁通量： 磁通量：通过某一曲 面的磁感线数为通过此曲 面的磁通量. 面的磁通量
v θ B
s
Φ = BS cosθ = BS⊥ v v v v Φ = B ⋅ S = B ⋅ enS v v dΦ = B ⋅ dS dΦ = BdS cosθ v v Φ = ∫s B ⋅ dS
大学物理学》 《基础物理学》路果编著p345 《大学物理学》卢德馨编著线起始于正电荷，终止于负电荷。 电场线起始于正电荷，终止于负电荷。 磁感应线为无头无尾的闭合线。 磁感应线为无头无尾的闭合线。 原因： 原因：正、负电荷可单独存在，而磁单 负电荷可单独存在， 极子却不可单独存在 磁场是一种涡旋场
高斯定理证明
高斯定理证明
高斯定理是电磁学中的一个重要定理，也称为高斯第一定理、高斯-奥波尔兹定理或高斯-斯托克斯定理。
它是电场、磁场和流体动力学中的基本方程之一，描述电场、磁场和流体速度的场在一个闭合曲面上的性质。
高斯定理可以用来计算电场通过一个任意形状的闭合曲面的总通量，它的数学表达式为：
∮E · dA = 1/ε₀ · ∫∫∫ρ dV
其中：
- ∮E · dA表示电场E与曲面元dA的点乘积（即电场E沿曲面法向量方向的分量与曲面元面积的乘积）之和。
- ε₀为电场中的真空介电常数，其值为8.854×10⁻¹²
C²/(N·m²)。
- ∫∫∫ρ dV表示在闭合曲面内的电荷密度ρ乘以体积元dV 之和。
高斯定理的证明分为两个步骤：
1. 假设电场E是有限个点电荷的叠加，可以根据库仑定律得到电场E与闭合曲面上各点的点乘积之和等于电荷与外部点产生的共同电势的梯度在该点上的点乘积之和。
2. 利用极限的思想，将点电荷的数量无限逼近，使得点电荷产生的电场可以看作一个连续的场，通过对电场的积分可以得到闭合曲面上的总通量。
综上所述，高斯定理的证明基于库仑定律和极限的思想，将点电荷的叠加近似为连续的电场场源，通过对电场的积分计算闭合曲面上的总通量。
磁场的高斯定理
I π R2Bj
M m
IBR2
2π
0
sin
2 d
ISk I π R2k
y
B
J
I
x
R
Q o d K x
zP
磁介质
一 磁介质 磁化强度
1 磁介质
B B0 B'
磁介质中的
真空中的
介质磁化后的
总磁感强度
磁感强度
附加磁感强度
顺磁质 B B 0（铝、氧、锰等） 弱磁质
磁场的高斯定理
一 磁感线
切线方向—— 疏密程度——
B B
的方向； 的大小.
I
I
I
I
S
I
S
N
N
二 磁通量 磁场的高斯定
理
S B
B ΔN ΔS
磁通场过中的某磁点感处 线垂 数直 目等B矢于量该的点单B的位数面值积.上
B
磁通量：
en
通过某曲面的磁感
s
s
B
线数 匀强磁场下， 面
以Oy为轴，Idl
y
所受磁力矩大小
B
J
dM xdF IdlBxsin I
x
R
x R sin , dl Rd Q o d K x
dM IBR2 sin2 d
zP
dM IBR2 sin2 d
M IBπ R2
B Bi
M
m
B
I π R2Bk i
B
π 2
,M
M max
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
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
03磁场中的高斯定理-安培环路定理概述
I1
L
I2
I1
I3
练习：求左图中环路 L的环流 B dl 。
L
L
B d l 0 ( I1 2 I 2 )
13
定理说明：
特例：以无限长载流直导线为例。
长直导线周围的B 线为一系列的 同心圆，选取路径方向与 B 线相同；
B
左边: B d l
11.3 磁场的高斯定理
1
一. 磁感应线 磁感应线（B线）：
（1） 磁感应线上任一点的切线方向 都与该点的磁感应强度B的方向一致。 （2） 垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处 磁感应强度B 的大小。
B
dm B dS
dm
dS
B
2
磁感应强度大小为磁感线的面密度。
条形磁铁周围的磁感应线
H ab I c nabI , H nI
ab
ab
H nI 2.管内真空中 真空中 r 1 作环路 abcda ; 在环路上应用介 质中的安培环路定理，同理有： B 0 H 0 nI 38
I r 1 0 I H1 r B1 r 2 2 2R1 2R1 同理 R1 r R1 I B r 2 0 I 2 H2 2r 2r R2 r H 3 0 B3 0
15
当空间有多个无限长直电流时，利用磁场的叠加原理：
B d l ( B j ) dl
L L j
将积分与求和号交换
B j dl 0
j L
I
i
i
i表示环路内的电流。
由此可得：
L
B d l 0 I
03磁场中的高斯定理-安培环路定理讲解
S
7
例1、如图 矩形线圈与载流无限长直导线共面，直导 线电流为I,求线圈的磁通量。 解：选距离电流r处，宽度为dr ,平 行于直导线的面积元 ds=ldr I
a
b
B
0 I dm Bldr ldr 2r a b 0 I m ldr 2r a
l
r
8
0 Il a b ln( ) 2 a
3
直线电流的磁感应线
磁感应线为一组环 绕电流的闭合曲线。
4
圆电流的磁感应线
I
5
通电螺线管的磁感应线
磁感应线的特点：
（1） 磁感应线是连续的，不会相交。 （2） 磁感应线是围绕电流的一组闭合曲线，没有 起点，没有终点。 （3）磁感线密处 B 大；磁感线疏处 B 小。 6
1.穿过一面积元dS的磁通量
得距电流垂直距离为r处的一点磁感应 强度的大小
r
L
0 I B 2r
18
问题：能否用安培环路定理求有限长直线电流的B？
设ab为闭合电流 I 中的一段直线电流， 长为 2R。取半径 为R 、圆心为 ab 的中点o、 且垂直于 ab 的圆为回路 L。 有人用安培环路定理求 L 上各点的 B: a 2R
I
0 R L
L
B d l 0 I
B Biblioteka B2 π R 0 I 0 I
2π R
b
对不对？ 【答】不对。
19
检验：用毕－萨定理＋叠加原理，可得
a
I
2
2R b
R
L
1
L
Bdl
4πr 0 I 0 I 0 0 P 4 π r cos45 cos135 4 π r 2 B的方向与圆周相切（右手定则）。 所以正确的环流应为：
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。
磁场的“高斯定理” 磁矢势
∫∫ B ⋅ d S = ∫∫ B ⋅ d S − ∫∫ B ⋅ d S = 0
S S1 S2
⇒ ∫∫ B ⋅ d S = ∫∫ B ⋅ d S
S1 S2
磁通量仅由 的共同边界线所决定
可能找到一个矢量A，它沿L 可能找到一个矢量 ，它沿 作线积分等于通过S的通量 作线积分等于通过 的通量
∫ A ⋅ dl = ∫∫ B ⋅ dS
电流元的磁矢势 任意闭合回路的磁矢势 例题9 例题9 例题10 例题10 例题11 例题11 p112式（2.55) p112式 式（2.56)
取闭合环路L 取闭合环路
电流元的磁矢势
设磁矢势a与电流元平行 设磁矢势 与电流元平行 （因为对矢势变换规范可 以任选，选库仑规范∇⋅ ∇⋅A=0 以任选，选库仑规范∇⋅ 的结果） 只有z分量 的结果）——a只有 分量 只有
r>R：导线外部同例题9，取Q点在导体表面，外 ：导线外部同例题 ， 点在导体表面， 点在导体表面 部任意点P与 点的矢势差为 部任意点 与Q点的矢势差为 µI
r = R, Az ( R) = − 4π
0
µ0 Il 0 µ 0 Ir 2l Φ B = l ∫ Bdr = rdr = − 2 ∫r r 2πR 4πR 2 µ0 Ir 2 [ Az (r ) − Az (0)] = Az (r ) = − ,r < R 2 4πR
∫ A ⋅ dl = ∫ A ⋅ dl + ∫ A ⋅ dl + ∫ A ⋅ dl + ∫ A ⋅ dl = ∫ A ⋅ dl + ∫ A ⋅ dl
L La Lb LC Ld
Q
Lb
Ld
= [ Az ( P ) − Az (Q)]l = l ∫
磁场的高斯定理
R
当 2R >> d 时，螺绕环内可视为均匀场 .
例2 无限长载流圆柱体的 磁场 L 解 （1）对称性分析 ） （2） r > R ） v v µ0 I ∫l B ⋅ d l = µ 0 I B = 2π r v v π r2 0 < r < R ∫ B ⋅ d l = µ0 2 I l πR µ0 Ir B= 2 2π R
y
v dF θ
v B
I
v Idl
P
v 解 取一段电流元 Idl v v v dF = Idl × B
o
L
x
dFx = −dF sin θ = − BIdl sin θ
dFy = dF cos θ = BIdl cos θ
Fx = ∫ d Fx = BI ∫ d y = 0
0
0
y
Fy = ∫ dFy = BI ∫ dx = BIl
v v ∫ B⋅dl = µ0(−I1 − I2)
L
= −µ0 I1 + I2） （
I1
I1
L
I2 I 3
v 问（1） 是否与回路 L ） B
外电流有关？ 外电流有关？
I1
v v （2）若 ∫ B ⋅ d l = 0 ,是否回路 L 上各处 ） 是否回路 L v 内无电流穿过？ B = 0 ？是否回路 L 内无电流穿过？
s⊥
θ
s
v B
θ
v en
v B
磁通量： 磁通量：通过 某曲面的磁感线数 匀强磁场下， 匀强磁场下，面 S的磁通量为： 的磁通量为： 的磁通量为 v v v v Φ = B ⋅ S = B ⋅ enS
Φ = BS cosθ = BS⊥ 一般情况 v v Φ = ∫s B ⋅ dS
13-3 磁场中的高斯定理和安培环路定理(南京信息工程大学 大学物理)
=
m0I 2p r
19
例2 无限长载流圆柱面的磁场
教练习：求同轴Bv的的两分筒布状。导线通有等值反向的电流I,
L1
r
IR
L2 r
m0I B
理 2π R 物o R r
(1) r > R2 , B = 0
R2
(2)
R1
<
r
<
R2 ,
B
=
m0I 2pr
I
R1
rI
学 ò 解
0<r <R,
Bv
×
d
v l
=
0
l
R
oR r
电场、磁场中典型结论的比较
长直线
长 直
内
圆
柱外
面
长 直
内
圆
电荷均匀分布
飞 E
=
l 2pe 0 r
徐 E = 0
电流均匀分布
B
=
m0I 2p r
B=0
byE
=
l 2pe 0 r
E
=
lr 2pe 0 R 2
B
=
m0I 2p r
B
=
m 0 Ir 2p R 2
17
案柱 外
体
E
=
l 2pe 0 r
B
dj
I1
多电流情况
I2
I3
byL
Bv = Bv1 + Bv2 + Bv3
飞 Ñò L Bv ×d lv = m0(I2 - I3 ) 徐以上结果对任意形状
的闭合电流（伸向无限远 的电流）均成立.
L
L 与 I 成右螺旋
Ñò L Bv × dlv = m0 I
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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磁场高斯定理的证明
根据闭奥萨伐尔定律，单个电流元IdL产生的磁感应线是以 dＬ方向韦轴线的圆,如图，圆周上元磁场的数值处处相等：
在磁感应线穿入处取一面元dS1,穿出处取另一面元dS2,IdL产生的磁场通过两面元的磁感应通量分别为:
由于磁感应管呈严格的圆环状，其正截面处处相等，故，
所以，即。
所以高斯定理对单个电流元成立。
根据磁场叠加原理，任意载流回路产生的总磁场B是各电流元产生的元磁场dB的矢量和, 从而通过某一面元dS的总磁通量是各电流元产生元磁通的代数和。
至此，磁场的”高斯定理”得到了完全证明。