毕奥—萨伐尔定律.
毕奥萨伐尔定律
1820年，法国物理学家比奥特（Biot）和萨瓦特（Savart）通过实验，测量了一条长直电流线附近的小磁针的力定律，并发表了一篇论文，题为“传递给运动中的金属的电的磁化力”。
后来被称为比奥-萨瓦特定律。
后来，在数学家拉普拉斯（Laplace）的帮助下，该定律以数学公式表示。
毕奥-萨伐尔定律：载流导线上的电流元Idl在真空中某点P的磁感度dB的大小与电流元Idl的大小成正比，与电流元Idl和从电流元到P点的位矢r之间的夹角θ的正弦成正比，与位矢r的大小的平方成反比。
dB的方向垂直于Idl和r所确定的平面，当右手弯曲，四指从方向沿小于π角转向r时，伸直的大拇指所指的方向为dB的方向，即dB、Idl、r三个矢量的方向符合右手螺旋法则。
叠加原理：
与点电荷的场强公式相似，毕奥——萨伐尔定律是求电流周围磁感强度的基本公式．磁感强度B也遵从叠加原理．因此，任一形状的载流导线在空间某一点P的磁感强度B，等于各电流元在该点所产生的磁感应强度dB的矢量和。
特点：
从课程论和物理学课自身特点的角度来分析毕奥-萨伐尔定律，它体现的学科特点有以下几点：（1）是稳恒电流磁场的关键知识点；（2）具有高度的抽象性；（3）使用数学工具的复杂性；（4）掌握“方法”比掌握“内容”更重要；（5）在探索知识的过程中体现“把握本质联
系，揭示事物发展内在规律性”的唯物辩证法观点。
毕奥---萨伐尔定律
两电流元之间的安培定律也可表示成 两电流元之间的安培定律也可表示成
u r r uur u r ˆ I1 I 2 dl2 × (dl1 × r12 ) d F12 = k = I 2 dl2 × dB1 2 r 12
电流元 I1d l1产生的磁场
ˆ ˆ Idl × r µ0 Idl × r dB = k = 2 2 r 4π r
• 求二阶导数
d 2B 在O 令x = 0处的 2 = 0 ⇒ 在O点附近磁场最均匀的条件 dx µ0 d 2B 2a 2 − 2 R 2 = 6π R 2 I = 0 ⇒ a2 = R2 7 2 dx 2 x =0 4π 2 a 2 2 R + 4
a=R
例1、无限长载流直导线弯成如图形状
大小
µ0 Idl dB = 4π r2
r r 方向 Idl × r0
分析对称性、 分析对称性、写出分量式
r r B⊥ = ∫ dB = 0
⊥
µ0 Idl sinα Bx = ∫ dBx = ∫ 4π r2
统一积分变量
µ0 Idl sinα Bx = ∫ dBx = ∫ 4π r2 µ0IR µ0IR dl = π = ⋅2 R 3 ∫ 3 4 r 4 r π π
a
•
•
P T
µ0I 3 BL′A = (cos π − cosπ ) 4πa 4
µ0I π BLA = (cos0 − cos ) 方向 ⊗ 4 a 4 π
方向 ⊗
T点
Bp = BLA + BL′A = 2.94×10−5T 方向 ⊗
r 电流元 Idl
——右手定则 右手定则 r r r µ0 Idl ×r 毕奥-萨伐尔定律 毕奥 萨伐尔定律 dB = 4 π r3 r r r r µ0 Idl ×r 对一段载流导线 B = ∫ dB = ∫ 4π L r3
毕奥-萨戈尔定律
毕奥-萨戈尔定律
毕奥-萨伐尔定律（英文：Biot-Savart Law）在静磁学中是描述电流元在空间任意点P处所激发的磁场。
毕奥-萨伐尔定律是法国科学家毕奥和萨伐尔合作研究发现的，以让-巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste Biot）和费利克斯·萨伐尔（Félix Savart）命名，1820年9月30日两人将第一个实验结果发表：载流长直导线到磁极距离与其作用力成反比，这一结果肯定了电和磁的联系。
毕奥-萨伐尔定律在静磁近似中是有效的，并且与安培（Ampère）的电路规律和磁性高斯定律一致。
毕奥-萨伐尔定律文字描述：电流元Idl在空间某点P处产生的磁感应强度dB的大小与电流元Idl的大小成正比，与电流元Idl所在处到P点的位置矢量和电流元Idl之间的夹角的正弦成正比，而与电流元Idl到P点的距离的平方成反比。
毕奥-萨伐尔定律在生产和生活中的应用有磁悬浮列车、根据工件大小来选择充磁电流的大小，从而达到磁粉探伤所需的磁场等。
毕奥萨伐尔定律
• 下右图给出另一个右手定则，用它可以判断载流线 圈的磁感应线方向。这右手定则是：用右手弯曲的 四指代替圆线圈中电流的方向,则伸直的姆指将沿着 轴线上Ｂ的方向。
生的磁感应强度的大小 • 与电流元Idl的大小成正比， • 与电流元和从电流元到Ｐ点的位矢之间的夹
角θ的正弦成正比， • 与位矢r的大小的平方成反比。即：
一、毕奥－－－萨伐尔定律
dB的方向 垂直于dl和r所确定的平面，沿
dl×r的方向，用右手螺旋法 则来判定。
矢量表示为： d B 0 Id l r 4 r 3
• 其中：S=πR2为圆线圈的面积。
三、载流圆环导线轴线上的磁场
• 圆线圈轴线上各点的磁感应强度都沿着轴线方向， 与电流方向组成右手螺旋关系。
• 下面讨论两种特殊的情况： • 1、在圆心Ｏ处，即a=0处的磁感应强度为： •
• 2、在远离线圈处，即 a>>R，轴线上各点的磁感 应强度约为：
三、载流圆环导线轴线上的磁场
• 由图
cos 1
x L 2
R2 (x L )2 2
cos 2
x L 2
R2 (x L)2 2
代入即得螺线管轴线上任一点P的磁感应强度。
B随x变化关系见上图中的曲线，由这曲线可以看出，当 L>>R时，在螺线管内部很大一个范围内磁场近于均匀， 只在端点附近B值才显著下降。
• 其中 40为比例系数， • μ0 称 为 真 空 磁 导 率 ， ：
毕奥-萨伐尔定律
将实验结果与毕奥-萨伐尔定律的理论值进行对比，评估定律的准确性。
结果分析
分析实验误差来源，如设备精度、环境干扰等，提高实验的可靠性和准确性。
05
毕奥-萨伐尔定律的扩展与 推广
对三维空间的推广
总结词
毕奥-萨伐尔定律最初是在二维空间中 推导出来的，但通过引入矢量运算， 该定律可以扩展到三维空间中。
Idl
电流元，表示电流的一 部分。
r
观察点到电流元的径矢 ，表示观察点与电流元
之间的距离。
03
毕奥-萨伐尔定律的应用场 景
电场与磁场的关系
磁场是由电流产生的，而电场是由电 荷产生的。毕奥-萨伐尔定律描述了 电流和磁偶极子产生的磁场，以及变 化的电场产生的磁场。
毕奥-萨伐尔定律揭示了电场和磁场之 间的相互关系，表明它们是电磁场的 两个方面，而不是独立存在的。
THANKS
对微观尺度的适用性问题
毕奥-萨伐尔定律在描述微观尺度的电磁场时，其精确度受 到限制。在量子尺度下，电磁场的涨落和量子效应可能导 致定律的不适用。
未来研究需要进一步探索毕奥-萨伐尔定律在微观尺度下 的适用性和修正，以更好地描述量子电磁场的行为。
对超导态物质的适用性问题
毕奥-萨伐尔定律在描述超导态物质的 电磁场时，可能存在局限性。超导态 物质的电磁行为与常规物质有所不同， 需要更复杂的理论模型来描述。
电流与磁场的相互作用
根据毕奥-萨伐尔定律，电流产生磁场，而磁场对电流有作用 力。这种作用力被称为洛伦兹力，它描述了电流在磁场中所 受到的力。
毕奥-萨伐尔定律是电动机和发电机等电气设备工作的基础， 它解释了电流如何在磁场中受到作用力，从而产生旋转或线 性运动。
磁力线的描绘
7-4 毕奥-萨伐尔定律
z r0 cot , r r0 / sin
dz r0d / sin 2
z
D
2
dz
B
dB
*
0 I
4 π r0
2
1
sin d
r
I
z
1
x
C
o r0
P
y
B 的方向沿 x 轴负方向
0 I (cos1 cos 2 ) 4 π r0
B
I
R1
B0
0 I
4 R2
0 I
4 R1
* o
0 I
4 π R1
例如 右图中，求O 点的磁感应强度 解 B1 0
B2
4R 2 3 0 I 8R 0 I B3 (cos 1 cos 2 )
4R 0 I θ 2 θ 1 2 4R
0 I 3
dB
0
2
R
1
R 2 Indx
2
x
2 3/ 2
N n l
R
2
x1 O*
x2 x
×× × ×× × ×× × ×× ×× ×
x Rcot
B dB
2
dx R csc d
2
0 nI
2
2 2
R
x1
x2
R dx
2
2
x
2 3/ 2
R x R csc
2 0, B 向右
R
0, B 向左
例3 载流直螺线管内部的磁场. 如图所示，有一长为l ，半径为R的载 流密绕直螺线管，螺线管的总匝数为N， 通有电流I. 设把螺线管放在真空中，求管 内轴线上一点处的磁感强度.
毕奥萨伐尔定律
在静磁学中，毕奥-萨伐尔定律（英文：Biot-Savart Law）描述电流元在空间任意点P处所激发的磁场。
定律文字描述：电流元Idl 在空间某点P处产生的磁感应强度 dB 的大小与电流元Idl 的大小成正比，与电流元Idl 所在处到 P点的位置矢量和电流元Idl 之间的夹角的正弦成正比，而与电流元Idl 到P点的距离的平方成反比。
该定律在静磁近似中是有效的，并且与Ampère的电路规律和磁性高斯定律一致，以Jean-Baptiste Biot和FélixSavart命名。
定义在静磁学中，毕奥-萨伐尔定律（英文：Biot-Savart Law）描述电流元在空间任意点P处所激发的磁场。
定律文字描述：电流元Idl 在空间某点P处产生的磁感应强度dB 的大小与电流元Idl 的大小成正比，与电流元Idl 所在处到 P点的位置矢量和电流元Idl 之间的夹角的正弦成正比，而与电流元Idl 到P点的距离的平方成反比。
该定律在静磁近似中是有效的，并且与Ampère的电路规律和磁性高斯定律一致，以Jean-Baptiste Biot和FélixSavart命名。
电流（沿闭合曲线）毕奥-萨伐尔定律适用于计算一个稳定电流所产生的磁场。
这电流是连续流过一条导线的电荷，电流量不随时间而改变，电荷不会在任意位置累积或消失。
采用国际单位制，用方程表示：电流（整个导体体积）当电流可以近似为穿过无限窄的电线时，上面给出的配方工作良好。
如果导体具有一定厚度，则适用于Biot-Savart定律（再次以SI为单位）：Biot-Savart：毕奥萨伐尔定律定律是实验定律，以一些简单的典型的载流导体产生的磁场为基础，经分析、归纳出的定律，而不是由电流元直接得出的，实际上不可能得到单独的电流元。
毕奥萨伐尔定律
磁力发电机
磁力发电机是一种利用磁场产生电能的装置。根据毕奥萨 伐尔定律，当导体在磁场中运动时，会在导体中产生感应 电流。磁力发电机通过转子产生的旋转磁场与定子绕组相 对运动，使定子绕组中产生感应电流，实现发电的目的。
磁力发电机广泛应用于风力发电、水力发电、汽车发动机 等领域，为可再生能源的开发和节能减排做出了重要贡献 。
06
毕奥萨伐尔定律的未来研 究与展望
磁场产生的原因与机制
磁场产生的原因
毕奥-萨伐尔定律指出，运动电荷或电流会产生磁场，这是磁场产生的根本原因。
磁场产生的机制
磁场的产生与电荷或电流的运动有关，当电荷或电流运动时，会激发周围的磁场 ，磁场的大小和方向与电荷或电流的运动状态有关。
磁场对物质的作用与影响
核磁共振成像等磁现象在医疗领域具有广泛的应用前景，同时磁 约束核聚变等前沿技术也在积极探索中。
磁现象在太阳能领域的应用
太阳能电池板在吸收太阳能时，利用磁性原理可以提高太阳能利 用率。
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THANKS
磁场强度的方向与单位
磁场强度的方向
在右手螺旋定则中，拇指指向电流的方向 ，四指环绕的方向就是磁场的方向。
VS
磁场强度的单位
安培/米(A/m)，国际单位制中，磁场强度 的单位是安培/米。
03
毕奥萨伐尔定律的实验验 证
实验设计思路
确定实验目标
验证毕奥萨伐尔定律在特定情况下 的适用性，即通过实验手段测量物 理量以验证理论的准确性。
总结词
描述电磁场基本规律的方程组。
详细描述
麦克斯韦方程组是描述电磁场基本规律的方程组，其 中包括了电场、磁场和电荷密度等物理量的关系。毕 奥萨伐尔定律是麦克斯韦方程组的一个推论，它描述 了磁场与电流之间的关系。此外，麦克斯韦方程组还 预言了电磁波的存在，即光、无线电波等。
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毕奥—萨伐尔定律1.选择题1． 两条无限长载流导线，间距0.5厘米，电流10A ，电流方向相同，在两导线间距中点处磁场强度大小为：（ ）（A ）0 （B ）πμ02000 （C ）πμ04000 （D ）πμ0400 2．通有电流J 的无限长直导线弯成如图所示的3种形状，则P 、Q 、O 各点磁感应强度的大小关系为( )A ．PB ＞Q B ＞O B B ．Q B ＞P B ＞O BC ． Q B ＞O B ＞P BD ．O B ＞Q B ＞P B3．在一个平面内，有两条垂直交叉但相互绝缘的导线，流过每条导线的电流相等，方向如图所示。
问那个区域中有些点的磁感应强度可能为零：（ ）A ．仅在象限1B ．仅在象限2C ．仅在象限1、3D ．仅在象限2、44．边长为a 的一个导体方框上通有电流I ，则此方框中心点的磁场强度( )A ．与a 无关B ．正比于2a C ．正比于a D ．与a 成反比5．边长为l 的正方形线圈，分别用图示两种方式通以电流I ，图中ab 、cd 与正方形共面，在这两种情况下，线圈在其中心产生的磁感应强度的大小分别为（ ）A ．01=B ，02=B B ．01=B ，lI B πμ0222= C ．l I B πμ0122=，02=B D ．l I B πμ0122=， lI B πμ0222= 6．载流的圆形线圈（半径1a ）与正方形线圈（边长2a ）通有相同的电流强度I 。
若两个线圈中心1O 、2O 处的磁感应强度大小相同，则1a ：2a ＝（ ） A ．1：1 B ．π2：1 C ．π2：4 D ．π2：8 7．如图所示，两根长直载流导线垂直纸面放置，电流A I 11=，方向垂宜纸面向外；电流A I 22=，方向垂直纸面向内。
则P 点磁感应强度B 的方向与X 抽的夹角为( )8．四条相互平行的载流长直导线电流强度均为I ，方向如图所示。
设正方形的边长为2a ，则正方形中心的磁感应强度为( )。
A ．I a πμ02B ．I aπμ220 C ．0 D ．I a πμ0 9． 一半径为a 的无限长直载流导线，沿轴向均匀地流有电流I 。
若作一个半径为a R 5=、高l 的圆柱形曲面，轴与载流导线的轴平行且相距a 3，则B 在圆柱侧面S 上积分⎰∙s d B为（ ）A ．I a πμ520B ．I a πμ250C ．0D ．I aπμ5010．长直导线通有电流I ，将其弯成如图所示形状，则O 点处的磁感应强度为（ ）。
A ．R I R I 4200μπμ+B ．R I R I 8400μπμ+C ．R I R I 8200μπμ+D ．RI R I 4400μπμ+ 11．电流由长直导线1沿平行bc 边方向经过a 点流入电阻均匀的导线构成的正三角形线框，由b 点流出，经长直导线2沿cb 延长线方向返回电源，如图。
已知直导线上的电流为I ，三角框每边长l 。
若载流导线1、2和三角框中的电流在三角框中心O 点产生的磁场分别用1B 、2B 、3B 表示，则O 点的磁感应强度大小（ ）。
A ．0=B ，因为0321===B B BB ．0=B ，因为021=+B B ，03=BC ．0≠B ，因为虽然021=+B B，但03≠BD ．0≠B ，因为虽然03=B ，但021≠+B B12．如图所示，一条长导线折成钝角α，导线中通有电流I ，则O 点的磁感应强度为（ ）。
A ．0B ．απμcos 20IC ．απμsin 20ID ．απμsin 0I 13．如图所示，一条长导线折成钝角α，导线中通有电流I ，则在PO 延长线上离O 点距离为l 的A 点处的磁感应强度为（ ）。
A ．0B ．)]2sin(1[)2cos(40παπαπμ-+-l IC ．)]2sin(1[)2sin(40παπαπμ-+-l ID ．)]2sin(1[)2cos(40παπαπμ---l I14．如图所示，两根长导线沿半径方向引到铁环上的A 、B 两点上，两导线的夹角为α，环的半径R ，将两根导线在很远处与电源相连，从而在导线中形成电流I ，则环中心点的磁感应强度为（ ）。
A ．0B ．R I20μ C ．αμsin 20R ID ． αμCOS R I2015．两条长导线交叉于一点O ，这两条导线上通过的电流分别为I 和2I ，则O 点的磁感应强度为（ ）A ．0B ．πμI 0C ．πμI 02D ． πμI 04 16．两条长导线相互平行放置于真空中，如图所示，两条导线的电流为I I I ==21，两条导线到P 点的距离都是a ，P 点的磁感应强度为（ ）A ．0B ．aI πμ220 C ．a I πμ02 D ． a I πμ0 17．两条长导线相互平行放置于真空中，如图所示，两条导线的电流为I I I ==21，两条导线到P 点的距离都是a ，P 点的磁感应强度方向（ ）A ．竖直向上B ．竖直向下C ．水平向右D ． 水平向左18．两条长导线相互平行放置于真空中，如图所示，两条导线的电流为I I I ==21，两条导线到P 点的距离都是a ，P 点的磁感应强度方向（ ）A ．竖直向上B ．竖直向下C ．水平向右D ． 水平向左19．电流由长直导线1沿切线方向经a 点流入一由电阻均匀的导线构成的圆环，再由b 点沿切向从圆环流出，经长直导线2返回电源，如图。
已知直导线上的电流强度为I ，圆环的半径为R ，且a 、b 和圆心O 在同一条直线上。
设长直导线1、2和圆环中的电流分别在O 点产生的磁感应强度为1B 、2B 、3B ，则O 点的磁感应强度大小（ ）。
A ．0=B ，因为0321===B B BB ．0=B ，因为虽然01≠B ，02≠B ，但021=+B B ，03=BC ．0≠B ，因为01≠B ，02≠B ，03≠BD ．0≠B ，因为虽然03=B ，但021≠+B B19．电流由长直导线1沿半径方向经a 点流入一由电阻均匀的导线构成的圆环，再由b 点沿半径方向从圆环流出，经长直导线2返回电源，如图。
已知直导线上的电流强度为I ，圆环的半径为R ，︒=∠30aOb 。
设长直导线1、2和圆环中的电流分别在O 点产生的磁感应强度为1B 、2B 、3B ，则O 点的磁感应强度大小（ ）。
A ．0=B ，因为0321===B B BB ．0=B ，因为虽然01≠B ，02≠B ，但021=+B B ，03=BC ．0≠B ，因为虽然03=B ，但021≠+B BD ．0≠B ，因为03≠B ，021≠+B B ，所以0321≠++B B B2. 判断题：1．一条载流长直导线，在导线上的任何一点，由导线上的电流所产生的磁场强度为零。
（2．根据毕奥沙伐定律分析，在均匀、线性、各向同性媒质中，一段有限长载流直导线周围空间的磁场分布具有对称性，磁感应强度线是一些以轴线为中心的同心圆。
（ ） 3．一段电流元l Id 所产生的磁场的方向并不总是与l Id 垂直。
（ ）4．在电子仪器中，为了减弱与电源相连的两条导线所产生的磁场，通常总是把它们扭在一起。
（ ）5．如图，两根通有同样电流I 的长直导线十字交叉放在一起，交叉点相互绝缘，则虚线上的磁场为零。
6．如图，一根导线中间分成电流相同的两支，形成一菱形，则在菱形长对角线（水平方向）上的磁场为零，短对角线上的磁场不为零。
（ ）7．对于一个载流长直螺线管，两端的磁感应强度大小是中间的一半。
（ ）8．当需要对一个在地球上、暴露在空气中的点的磁场进行精确计算时，如果磁场比较弱，需要考虑地磁场的影响。
（ ）8．载流导线所产生的磁场与地磁场之间不可以进行磁场的叠加。
（ ）8．载流导线所产生的磁场与永磁体所产生的磁场具有不同的性质，所以在计算合磁场时，并不是总能进行叠加计算。
（ ）3. 填空题1．一根长直载流导线，通过的电流为2A ，在距离其2mm 处的磁感应强度为 。
2．一根直载流导线，导线长度为100mm ，通过的电流为5A ，在与导线垂直、距离其中点的50mm 处的磁感应强度为 。
3．一根载流圆弧导线，半径1m ，弧所对圆心角6，通过的电流为10A ，在圆心处的磁感应强度为 。
4．一个载流直螺线管，直径0.1m ，长度0.1m ，通过的电流为0.1A,线圈匝数1000，在螺线管内部轴线中点上的磁感应强度为 。
5．一个载流直螺线管，半径0.2m ，长度0.2m ，线圈两端加36V 电压，线圈匝数1000，线圈电阻100欧姆，在螺线管一端轴线中点上的磁感应强度为 。
6．真空中，电流I由长直导线1沿垂直bc边方向经a点流入一电阻均匀分布的正三角形线框，再由b点沿平行ac边方向流出，经长直导线2返回电源（如图）。
三角形框每边长为l，则在该正三角框中心O点处磁感应强度的大小B=7．电流由长直导线1沿半径方向经a点流入一电阻均匀分布的圆环，再由b点沿半径方向流出，经长直导线2返回电源（如图），已知直导线上的电流强度为I，圆环的半径为R，且a、b和圆心O在同一直线上，则O处的磁感应强度B的大小为8．在真空中，电流I由长直导线1沿半径方向经a点流入一电阻均匀分布的圆环，再由b 点沿切向从圆环流出，经长直导线2返回电源（如图）。
已知直导线上的电流强度为I，圆环的半径为R，且a、b和圆心O在同一直线上，则O处的磁感应强度B的大小为9．一弯曲的载流导线在同一平面内，形状如图（O点是半径为R1和R的半圆圆心）则圆心O点处的磁感应强度B= 。
10．一弯曲的载流导线在同一平面内，形状如图（O点是半径为R1和R的半圆圆心）则圆心O点处的磁感应强度B的方向。
11．如图所示，用均匀细金属丝构成一半径为R的圆环C，电流I由导线1流入圆环A点，而后由圆环B流出，进入导线2。
设导线1和导线2与圆环共面，则环心O处的磁感应强度大小为。
12．如图所示，用均匀细金属丝构成一半径为R的圆环C，电流I由导线1流入圆环A点，而后由圆环B流出，进入导线2。
设导线1和导线2与圆环共面，则环心O处的磁感应强度方向。
13．在xy平面内，有两根互相绝缘，分别通有电流3I和I的长直导线，设两根导线互相垂直（如图），则在xy平面内，磁感应强度为零的点的轨迹方程为。
14．两平行载流导线，导线上的电流为I,方向相反，两导线之间的距离a，则在与两导线同平面且与两导线距离相等的点上的磁感应强度大小为。
15．两平行载流导线，导线上的电流为I,方向相反，两导线之间的距离a，则在与两导线同平面且与其中一导线距离为b的、两导线之间的点上的磁感应强度大小为。
16．在真空中有一根半径为R的半圆形细导线，流过的电流为I，则圆心处的磁感应强度大小为。
17．在半径为R的长直金属圆柱体内部挖去一个半径为r的长直圆柱体，两柱体轴线平行其间距为a，如图，今在此导体上通有电流I，电流在截面上均匀分布，则空心部分轴线上O 点的磁感强度的大小为。