真空恒定磁场基本方程
磁场公式知识点总结
磁场公式知识点总结磁场是物质中的磁性物质所产生的力场。
它由两个物理量描述：磁场强度和磁通量密度。
在物理学中，磁场公式是用数学方程式描述磁场的性质和行为的。
磁场公式是基于麦克斯韦方程组的解析推导而得到的，它们包含了电场和磁场的关系和相互作用。
下面将介绍磁场公式的基本知识点和相关内容。
一、磁场的基本概念1. 磁场的概念磁场是指磁体所处的空间中存在的磁力场。
磁体产生的磁场称为自发磁场，所有物质（包括真空）中的磁场称为磁感应强度。
2. 磁场的特点磁场具有方向性和强度性，是一种矢量场。
磁场的方向是从北极指向南极，磁力线是磁场的可视化表示，它们是磁场的方向。
3. 磁场的单位磁场的单位是特斯拉(T)和高斯(G)。
1T=10000G。
在SI国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉(T)，而在厘米—克—秒（cgs）单位制中，磁感应强度的单位是高斯(G)。
二、磁场公式的推导麦克斯韦方程组是描述电磁场的基本方程，包括电场和磁场的关系和相互作用。
这些方程组包括：1. 麦克斯韦第一方程：电场的散度与电荷密度之比等于真空中电场的散度$\nabla \cdot \mathbf{E}=\frac{\rho}{\varepsilon_{0}}$2. 麦克斯韦第二方程：磁感应强度的旋度等于真空中电场随时间的变化率与电场的负梯度之和$\nabla \times \mathbf{B}=\mu_{0} \mathbf{J}+\mu_{0} \varepsilon_{0} \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}$3. 麦克斯韦第三、第四方程：磁场的散度等于零，电场的旋度等于真空中磁感应强度随时间的变化率与磁感应强度的负梯度之和$\nabla \cdot \mathbf{B}=0$$\nabla \times \mathbf{E}=-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}$这些方程组经过推导和简化，得到了描述磁场的基本公式和定律。
恒定磁场基本方程的微分形式为
恒定磁场基本方程的微分形式引言恒定磁场是指磁场中磁感应强度、磁场强度、磁场偏转角等参数在时间和空间上均保持不变的情况。
恒定磁场具有许多重要应用，例如电动机、发电机、磁共振成像等。
为了深入了解恒定磁场的基本方程，需要进行微分形式的推导和讨论。
恒定磁场基本方程在恒定磁场中，我们可以根据安培定律推导出磁场的基本方程。
安培定律表明，在闭合回路中，电流周围的磁场的环绕方向是闭合回路上的电流方向，其磁感应强度大小与电流大小成正比。
根据安培定律，我们可以得到恒定磁场的基本方程的微分形式：1. 电流元在磁场中受到的磁场力表达式为：dF =I (dl ×B )，其中dF 表示电流元受力的微元，I 表示电流，dl 表示电流元的微元长度，B 表示磁感应强度。
2. 根据叉乘的性质，可以得到上式的分量形式：{dF x =I(B z dy −B y dz)dF y =I (B x dz −B z dx )dF z =I(B y dx −B x dy)3. 利用矢量分析中的散度和旋度概念，可以进一步将上述方程转化为微分形式：{ ∂B x ∂x +∂B y ∂y +∂B z ∂z =0∂B x ∂t =0∂B y ∂t =0∂B z ∂t =0上述方程描述了恒定磁场的基本特性，其中第一个方程表示磁场的无源性，即磁感应强度的散度为零；后三个方程表示磁场随时间不变，即磁感应强度对时间的偏导数为零。
恒定磁场中的应用和意义恒定磁场具有许多重要的应用和意义，下面将从以下几个方面进行讨论：1. 电动机和发电机在电动机和发电机中，恒定磁场被用于产生磁场，从而实现电动机的旋转和发电机的电能转换。
利用恒定磁场的基本方程，可以对电动机和发电机的性能进行分析和优化。
2. 磁共振成像磁共振成像（MRI）是一种利用恒定磁场和变化磁场的共同作用原理进行医学影像诊断的技术。
MRI利用恒定磁场对人体组织中的原子核进行定向，然后通过应用变化磁场使原子核进入共振状态，进而通过检测共振信号获得影像信息。
5.5 磁介质中磁场的基本方程
即 r 1 如铁、镍和钴等属于铁磁质。
01:52 5 在铁磁性材料中，有许多小天然磁化区，称为磁畴。
（4）亚铁磁质：由于部分反向磁矩的存在，其磁性比 铁磁材料的要小，铁氧体属于一种亚铁磁质。
四、剩余磁化
剩余磁化：铁磁性物质被磁化 后，撤去外磁场，部分磁畴的 取向仍保持一致，对外仍然呈 现磁性。
H dl H 2 I
l
f
H
If 2
e ( 0)
（2）求磁感应强度
I f B H e (0 a) 2
0 I f B 0 H e ( a) 2
01:52 7
（3）求磁化强度 M
M =(r 1) H
If M =(r 1) H ( 1) e (0 a) 0 2
B
0
M
磁场强度矢量
1
H J
利用斯托克斯公式，可得上式的积分形式 即
H dl H d S J d S I 安培环路定律的积分形式 H dl I
l S S l
实践中孤立的磁荷至今还没有被发现，磁场中磁通 连续性方程保持不变，
B 0
铁磁材料的磁性和温度也有很大 关系，超过某一温度值后，铁磁 材料会失去磁性，这个温度称为 居里点。 01:52
磁滞回线
6
例1：磁导率为 ,半径为a的无限长的磁介质圆柱，其中 心有一无限长的线电流If，整个圆柱外面是空气，求各处 的磁感应强度、磁化强度和磁化电流。 解：（1）可由安培环路定律求出磁场强度 H
由高斯散度定理，得
BdS 0
S
1)空间中磁力线是连续的； 2)恒定磁场是无源场，不存在磁力线的扩散源和汇集源； 3)磁场的散度与磁感应强度是不同的物理量，磁场的散度 01:52 2 描述磁力线的分布特点，而不是磁场本身。
真空中恒定磁场的基本规律
P dS
S
PdV
V
P P
14
( 2 ) 极化电荷面密度
紧贴电介质表面取如图所示的闭曲面，则穿过面积元 的dS极
化电荷为
dqP qnldS cos PdS cos P dS
故得到电介质表面的极化电荷面密度为
SP P en
S P
dS en
15
4. 电位移矢量 介质中的高斯定理
• 载流圆环轴线上的磁感应强度：
B(0, 0,
z)
ez
0 Ia 2
2(a2 z2 )3
2
4
z
2
I M 1
载流直线段
z
M
ao
y
x
I
载流圆环
5
例 2.3.1 计算线电流圆环轴线上任一点的磁感应强度。 解：设圆环的半径为a，流过的电流为I。为计算方便取线电
流圆环位于xy平面上，则所求场点为P(0,0,z),如图 所示。采用圆柱
其中 0(1 e ) r0 称为介质的介电常数，r 1 e 称为介
质的相对介电常数（无量纲）。
* 介质有多种不同的分类方法，如： • 均匀和非均匀介质 • 各向同性和各向异性介质 • 时变和时不变介质
• 线性和非线性介质 • 确定性和随机介质
恒定场的散度（微分形式） 磁通连续性原理（积分形式）
B(r ) 0
S B(r ) dS 0
磁通连续性原理表明：恒定磁场是无源场，磁场线是无起点和
终点的闭合曲线。
2. 恒定磁场的旋度与安培环路定理
恒定磁场的旋度（微分形式）
B(r ) 0J (r )
安培环路定理（积分形式）
B(r)dl
I2dl2 (I1dl1 R12 )
3-4 磁介质中恒定磁场的基本方程
体积元
A m
1
意义 磁介 质中单位体积内 分子的合磁矩.
单位（安/米）
若 P m 是体积 V 中的平均磁矩，N 是分子密度，则磁
化强度也可表示为
M N Pm
3–4 介质中恒定磁场的基本方程 第三章恒定电流的电场和磁场 3 磁化电流 介质磁化后，介质中的分子电流合起来可在介质体内 和介质表面产生净束缚电流（亦称磁化电流），磁化电 流产生的磁场等效于所有的磁偶极子产生的磁场的总和. 等效的体磁化电流密度和面磁化电流密度分别为：
(
B
C
0
M )dl
I
磁场强度 H
B
0
M
磁介质中的安培环路定律
H dl
l
I
利用斯托克斯定律有 H dl H d S
C S
I
J d S
S
1
顺磁质
r
1 1
抗磁质
铁磁质 （非常数）
B 0 rH H
磁介质的本构关系
3–4 介质中恒定磁场的基本方程 第三章恒定电流的电场和磁场 例 有两个半径分别为 R 和 r 的“无限长”同 轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为 r 的 磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流 时，试 求 I （1）磁介质中任意点 P 的磁感应强度的 大小;（2）圆柱体外面一点 Q 的 磁感强度. I
积分路径是任意的
H J
3–4 介质中恒定磁场的基本方程 第三章恒定电流的电场和磁场
（磁化率） 各向同性磁介质 M m H m B B B 0 (1 m ) H H M mH 0 0
恒定磁场的基本方程及分界面上的衔接条件
电工基础教研室 由佳欣
恒定磁场的基本方程
微分形式：
H
JC
B 0
恒定磁场是有旋场，电流密度是磁场 的涡旋源
恒定磁场是无源场，磁感应线是无头无尾 的闭合曲线，没有磁荷的存在
积分形式：
l
H
dl
I
S B dS 0
恒定磁场的环路线积分等于与积分路径 相交链的所有自由电流代数和
磁通连续性定理，由任一闭合面穿出的 净磁通等于零
物性方程： B H
各向同性、线性介质的构成方程。
分界面上的衔接条件
1. 磁场强度的切向分量
由场量闭合曲线S I
场量切向分量的衔接关系
n12
H dl l
l2 H2 dl
l1 H1 dl
H dl
取一闭合柱面，上下面分别位于介质1、2 中，且平行于界面，令 d 趋于0
ld
l
H2 t2l H1 t2l
媒质2
d
t2
t1
分界面
(H1 H2 ) t2l
媒质1
取一闭合曲线，上下边分别位于介质1、2中且平行于 界面，令高度 d 趋于0
分界面上的衔接条件
1. 磁场强度的切向分量
由场量闭合曲线的积分方程
场量切向分量的衔接关系
n12
S JCdS K t1l K (t2 n12 )l t2 (n12 K )l
由场量闭合曲面的积分方程
场量法相分量的衔接关系
S B dS 0
n12
左面=
S2 B2 dS
S1 B1 dS
B dS
S3
S2
B2 n12S B1 n12S (B2n B1n )S 右面 0
4.6 恒定磁场基本方程应用举例
第 4 章恒定磁场4.2 真空中恒定磁场的基本方程应用举例半径为 a 的无限长直导体圆柱均匀通过电流 I ，计算导体内外的B 。
解： ⑴ 电流分布具有轴对称性，选柱坐标⑵ 分析磁场的分布 zaI⑶ 沿磁感应线取B 的线积分沿ϕ 方向 ∑⎰==∙I B c02d μπρl B ρ ≤ a 时222aIJ I ρπρ==∑2022022aI a I B πρμρπρμϕ==∴ρ ≥ a 时πρμϕ20IB =II =∑例1两相交圆柱，半径同为a ,轴线相距 c ，通过强度相等方向相反的电流 I ，因而相交部分J = 0。
证明相交区域是匀强磁场。
证： ⑴ 两圆柱单独存在时，均具有轴对称性，选两套柱坐标 ⑵ 计算相交区域任取一场点P 的磁感应 22101d a Icρμ=∙⎰l B 201221101221a I a I z πμρπρμϕρa a B ⨯==22202d aIcρμ=∙⎰l B2022222022)(22aI a I z πμρπρμϕρa a B ⨯-=-=202020*******)(a Ica I a I yz z πμπμπμa c a ρρa B B B =⨯=-⨯=+=例2 O 1 O 2 Pρ1 ρ2 ⊗ ⊙ I Iz x无限大平面上均匀分布面电流J s ，求距此平面 r 处的磁感应B 。
解： ⑴ 电流分布具有平面对称性，选直角坐标。
设J s = a z J s⑵ x >0，磁场方向沿 +y 轴；x <0，磁场方向沿 –y 轴⑶ 在xOy 上选取图示矩形回路lJ l B cs 02d μ==∙⎰l B 2s0J B μ=例 0, 20>x J y sa μ0, 20<-x J y sa μ=B z xy J zz xy J zl。
恒定磁场的基本方程和边界条件
恒定磁场的基本方程和边界条件1. 嘿，你知道恒定磁场不？它的基本方程就像一把神奇的钥匙呢。
就好比你要打开一扇神秘的门，这方程就是开锁的关键。
高斯定理说通过任意闭合曲面的磁通量恒等于零。
比如说，你想象一个完全封闭的盒子，磁场线就像一些调皮的小虫子，它们进进出出这个盒子，但总体数量不会有变化，既不会凭空多出来，也不会无端消失。
这多有趣呀，感觉磁场就像一个有秩序的小世界。
2. 恒定磁场的安培环路定理也很厉害哦。
这就像在一个迷宫里找路，磁场强度沿着闭合路径的线积分等于穿过这个路径所围面积的电流的代数和的μ₀倍。
打个比方，假如电流是一群奔跑的小怪兽，磁场强度就是跟着它们跑的小尾巴。
你看那些电线里的电流在流动的时候，周围就会产生磁场，这个磁场就按照安培环路定理的规则存在着。
你说神奇不神奇？3. 那恒定磁场的边界条件又是怎么回事呢？这就像两个不同的国家之间的边境规则。
在两种不同磁介质的分界面上，磁场强度的切向分量是连续的。
就好像两个人在边境上握手，虽然两边的情况可能有些不同，但这握手的力度（切向分量）是一样的。
比如说，一块铁和空气的交界处，磁场强度的切向部分不会突然变个样。
4. 再说说磁感应强度的法向分量吧。
在两种磁介质的分界面上，磁感应强度的法向分量满足一定的关系。
这就像两个相邻的池塘，水面高度（类比法向分量）有一定的关联。
假如一个池塘里的水涨一点，另一个池塘也会受到影响。
就像在磁介质中，一边的磁感应强度的法向分量改变了，另一边也会跟着有相应的变化。
这是不是很像一种默契呢？5. 你可别小瞧这些恒定磁场的方程和边界条件啊。
它们就像魔法咒语一样，掌控着磁场这个神秘的魔法世界。
你想啊，如果没有这些规则，磁场就像一群没头的苍蝇，到处乱撞。
就像一个没有交通规则的城市，汽车到处乱开，那可就乱套了。
而这些方程和条件就是磁场世界的交通规则，让一切井井有条。
6. 我跟你讲，理解这些就像解开一个超级有趣的谜题。
就像玩拼图，每一块都很重要。
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真空中恒定磁场的基本方程
积分形式 微分形式
S
B dS 0
C
B dl 0 I
B 0 B 0 J
0 I1dl1 R ] dF21 I 2dl2 [ 3 4 R
I1dl1 产生的磁场对它的作用, 电流元 I 2 dl2 受的作用实际是电流元 即电流元 I1dl1 在电流元 I dl 处产生的磁场 dB1 为 2 2 0 I1dl1 R dB1 4 R3
§ 2.3 真空中恒定磁场的基本规律
2.3.1 安培力公式
1 安培力公式
磁感应强度
安培力的实验定律指出： 在真空中载有电流I 1的回
路C1上任一线元 I dl 对 1 1
另一载有电流I2的回路C2
上任一线元 I 2 dl2的作用
力为 0 I1dl1 R 0 I 2 dl2 ( I1dl1 R) dF21 I 2 dl2 [ ] 3 3 4 R 4 R
C
B dl ( B) dS
S
I ห้องสมุดไป่ตู้
S
S
J dS
S
( B) dS 0 J dS
S
( B) dS 0 J dS
S
因上式的积分区域S是任意的， 因而有
B 0 J
上式就是熟知的毕——萨定律 对于整个线电流产生的磁感应 强度为
B
C
2、磁感应强度：
0 Idl R dB 叠加原理 3 C 4 R
若电流是具有体分布的电流
J
，则为
0 J (r ') R B( r ) dV ' 积分公式 / 3 V 4 R 若电流是具有面分布的电流 J S ，则为 0 J S (r ') R B(r ) dS ' 积分公式 / 3 4 S R
由于上式中积分区域V是任意的， 所以对空间的各点， 有
上式是磁通连续性原理的微分形式，它表明磁感应强度 B
一个无源(指散度源)场。
B 0
是
2、安培环路定理 恒定磁场的旋度
C
B dl 0 I
其中的电流I为穿过以闭合曲线C为边界的曲面上电流的代 数和，即电流与闭合曲线相交链。
R r r' R r r' r 为场点的位置矢量， r ' 为源的位置矢量。
2.3.2 恒定磁场的散度与旋度
1、恒定磁场的散度
磁通连续性原理 （磁场的高斯定理）
m
由散度定理
S
B dS 0
磁场是无源场（通量源）
V
S
B dS BdV 0