Закон Био-Савара-Лапласа

После опытов Эрстеда начались интенсивные исследования магнитного поля постоянного тока. Французские физики Био и Савар в первой четверти XIX в. изучали магнитные поля, создаваемые в воздухе прямолинейным током, круговым током, катушкой с током и т.п. На основании многочисленных экспериментов они пришли к выводу, что магнитная индукция поля проводника с током пропорциональна силе тока, зависит от формы и размеров проводника, а также от расположения рассматриваемой точки поля относительно проводника.

Био и Савар попытались получить закон, который позволял бы рассчитывать индукцию в каждой точке магнитного поля, создаваемого током в проводнике любой формы. Однако формализовать данную задачу они не смогли. По их просьбе этой задачей занялся французский физик и математик Лаплас. Он учел векторный характер магнитной индукции и высказал гипотезу, что для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции, то есть принцип независимости действия полей:

(3.4)

где индукция магнитного поля малого элемента проводника с током, а интегрирование проводится по всей длине проводника.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент которого создает в некоторой точке А индукцию поля записывается в виде:

(3.5)

где вектор, по модулю равный длине проводника и совпадающий по направлению с током; радиус-вектор, проведенный от элемента проводника в точку А поля; модуль радиуса-вектора. Направление перпендикулярно и , то есть перпендикулярно плоскости, проведенной через эти векторы, и совпадает
с касательной к линии магнитной индукции. Это направление находится по правилу буравчика.

Коэффициент пропорциональности зависит от выбора системы единиц. В СИ это размерная величина, равная

где магнитная постоянная. Таким образом, в СИ закон Био-Савара-Лапласа имеет вид

Так как модуль векторного произведения равен dl r sin α, то модуль вектора определяется выражением

(3.6)

Из выражений (3.4) и (3.5) следует, что магнитная индукция поля, создаваемого в вакууме током I, идущим по проводнику конечной длины и любой формы, равна (3.7)

Закон Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет рассчитывать магнитные поля, создаваемые любыми проводниками с током.

1. Магнитное поле прямого тока.

В данном случае поле создается
током, протекающим по тонкому прямому проводнику бесконечной длины (рис. 3.4). В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы от всех элементов тока dl имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа. Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол , выразив через него все остальные величины.

Из рис. 3.4 следует: откуда c другой стороны, откуда

Подставляя эти выражения в формулу (3.6), получим:

(3.8)

Так как угол для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до , то согласно (3.7) и (3.8) получим

(3.9)

2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током. В данном случае все элементы dl кругового проводника с током создают в центре магнитное поле одинакового направления – вдоль нормали от витка (рис. 3.5). Поэтому сложение можно также заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника dl перпендикулярны радиус-вектору () и расстояние всех элементов проводника до центра кругового витка одинаково и равно R, то

Интегрируя это выражение по l, получим

(3.10)