匀速定轴转动的均匀带电球体的全-

匀速定轴转动的均匀带电球体的全空间磁场分布匀速定轴转动的均匀带电球体的全空间磁场分布 摘要摘要 如何求匀速定轴转动的均匀带电球体的全空间磁场分布是电磁学中的一 个非常重要的问题 这类问题的解法是多种多样的 可是传统的方法比较繁琐 对于匀速定轴转动的均匀带电球体 本文先运用多种方法求出均匀带电球面 的磁场分布 再运用磁场的叠加原理求出匀速定轴转动的均匀带电球体的全空 间磁场分布 关键词关键词 均匀带电球体 磁场分布 磁场叠加原理 磁矢势 磁标势 1 1 引言引言 求绕对称轴匀速转动的均匀带电球体的全空间磁场分布是电磁学中的一个非常重要问 题 这类问题的解法是多种多样的 可是传统的方法比较繁琐 文献 6 从场强的叠加原理 出发 用类比的方法 在介绍矢势A 磁化强度M 和电场强度E三者关系的基础上 给出 了一个解决此类问题的新方法 本文首先利用类比的方法 将绕对称轴匀速转动的非导体 均匀带电球面等效成均匀磁化介质球 然后用多种方法先求出绕对称轴匀速转动的均匀带 电球面的全空间磁场分布 再运用磁场的叠加原理 通过把均匀带电球面看作非常薄的均 匀带电球体 利用数学积分计算 从而得到了匀速定轴转动带电球体的全磁场分布 本文 用三种方法求出均匀磁化球的磁场强度 从而就能得到绕对称轴匀速转动的均匀带电球体 的全空间磁场分布 6 2 2 均匀带电球面的磁场分布均匀带电球面的磁场分布 图1所示的是一半径为R的表面均匀带电的非导体球面 其电荷面密度为 如果这一 非导体球面以自身直径为轴并以恒角速度转动 因此将在周围空间中产生磁场 均匀带 电球面绕轴转动 所以它的面电流密度为 由磁化强度M与磁化电流密度之间的关系式 其中介质的外法线方向单 位矢是n 可得 对于一个均匀磁化介质球而言 其磁化面电流密度大小是 如图2所示为其分布图像 经过对比可知 在研究产生的磁特性时 可以将以匀角速 度绕轴旋转的一个均匀带电的非导体球面 等效成一个均匀磁化介质球体 比较上面的两个式子可得 对于匀速旋转的非导体均匀带电球面 可等效成为均匀磁 化介质球 其等效磁化强度为 2 12 1磁标势磁标势 设定一个半径为a的均匀磁化介质球处于真空中 若球心O取为原点 M的方向为极轴 如图所示取球坐标系 由于无自有电流 则 因此 有磁标势 可使得 又有 则有 球内外的均满足拉普拉斯方程如下 1 因在极轴上应有确定值 故得上式的通解为 2 在球内 时 有限 故 3 在球外 时 故 4 下面用边界条件定系数 当r a时 故得 5 当r a时 即 故有 比较两边的系数得 6 7 解 5 6 7 三式得 8 于是得所求的此表示为 9 10 所求的磁感应强度为 11 12 上式所求 即是匀速定轴转动的均匀带电球面的空间磁场分布规律 2 22 2磁失势磁失势 由和导出失势A的微分方程如下 1 因为 2 所以 3 这就是静磁场的失势A所满足的微分方程 取库伦规范 4 介质球是均匀的 球外是真空 故 没有自由电流 故 于是失势的微 分方程化为 5 以球心为原点 M的方向为极轴 取球坐标系如图所示 A的分量式为 6 因轴对称性 故A与方位角 无关 即 7 在球坐标系中 的公式为 8 另一方面 M可看为是 由于球面上的一层磁化面电流所产生的 根据电流产生的失势公式 9 知dA平行于 磁化面电流密度为 根据 9 式可知 10 带入 8 便得 11 球坐标系中有 12 带入 11 式并利用 便得 13 下面利用分离变数法求解 令 14 带入 13 上式得 15 令 16 17 这是二阶欧拉方程 它的解为 18 当时 球是一个磁偶极子 它的A应具有 19 的性质 由此得 16式中的常数C 2 于是 18 式便是 20 再求 由 式得 21 做变换上式便化为 22 与连带勒让德方程 23 比较 可见 22 是l 1 m 1的连带勒让德方程 23 式的有界解为 24 由此得 23 的解为 25 结合 10 14 20 25 式子及边界条件 19 和 便时A为有限得 26 27 于是可得所求的磁感应强度为 28 29 现在由边界条件定系数 30 31 由三式 28 29 30 的 32 由 28 29 两式得 33 34 代入 31 得 35 解 32 35 两式得 36 于是最后求得的失势为 37 38 所求的磁感强度为 B 39 40 2 32 3特殊法特殊法 根据电场的叠加原理 由任意形状的均匀带电体产生的电场为 1 式中 为电荷体密度 是真空中的介电常量 r是场点的位矢 r 是源点的位矢 是方向的单位矢 根据磁矩为m的磁偶极子的矢势公式 2 式中M是介质当中的磁化强度 是真空中的磁导率 从上面的两个式子可以看出 虽然他们表示不同的物理量 但它们的数学形式类似 尤其是它们的积分部分完全相同 通过比较上面的两个式子我们可以得到 3 我们知道矢势A是磁场中辅助的一个物理量 磁化强度M则是能够反映磁介质在外磁场的作 用下 磁化强弱程度的一个物理量 而电场强度E是可从力的角度反映静电场性质的一个物 理量 三者都具有各自的作用 看起来三者貌似互相之间没有联系 尤其是在静电磁场下 E A和M更看起来好像 更是风马牛不相及 但式 3 却真实地存在 故式 3 是一个奇特 的关系式 6 从式 3 推导的所以过程可看出 假若 有一个给定形状的均匀带电体所产生的电场E 可 提前求出 则具有相同形状 磁化强度为M的均匀磁化介质产生的磁矢A 就能根据式 3 而 求出 对于一半径R的均匀带电 球体所产生的电场 根据静电场中高斯定理很容易求出 由此一个半径为R的均匀磁化 M 球体产生的矢势A应该为 由矢势A的定义 可求出均匀磁化介质球所产生的磁感应强度B为 3 3 用球面磁场求球体磁场 用球面磁场求球体磁场 当球壳极为薄时 可把它近似的看作是球面 这时一个厚度为dR的均匀带电薄球壳在 空间产生的磁场为 1 利用磁场的叠加原理 对上式进行积分计算可求得均匀带电球体和厚球壳的全空间磁 场分布 首先对上式进行积分可以得到球壳的磁场分布 2 上式中当时可得实心球体的磁场为 图4 结论结论 本文首先利用类比的方法 将绕对称轴匀速转动的非导体均匀带电球面等效成均匀磁 化介质球 然后用多种方法先求出绕对称轴匀速转动的均匀带电球面的全空间磁场分布 再利用场强的叠加原理进行积分计算 虽然计算量相对较大却得到了绕对称轴匀速转动的 均匀带电球体的全空间磁场分布 参考文献参考文献 1 凌瑞良 旋转非导体带电球面磁场的全空间解析解新探 J 大学物理 1999 1 8 8 4 6 2 J D Jackson Classical Electrodynamics third edition M New York John WileYSons Inc 1999 3 Willian Taussig Scott The Physics of Electricity and Magnetism M New York John WileySons Inc 1959 278 4 郭硕鸿 电动力学 M 第二版 北京 高等教育出版社 2002 33 37 26 47 5 林璇英 张之翔 电动力学题解 M 第二版 北京 科学出版社 2007 248 253 6 姚斌 郑勤红 定轴转动带电体的全空间磁场分布 J 云南师范大学学报 2003 23 5 40 44 7 yu V Novozhilov Yu A Yappa Electrodynamics Tran slated from the Russian by V I Kisin M Moscow Publishers 1978 98 103 8 北京师范大学物理系电学教研室 电磁学习题解答 M 北京 北京师范大学出版社 1982 189 9 张文灿 邓亲俊 电磁场的难题和例题分析 M 北京 高等教育出版社 1987 259 10 Griffiths D J The field of a uniformly Polarized object Am J Phys 1992 60 2 187 11 梁绍荣 电动力学基础 M 北京 北京师范大学出版社 1982 151 12 阚仲元 电动力学教程 M 北京 高等教育出版社 1979 239 13 梁昆淼 数学物理方法 M 北京 高等教育出版社 1998