簡介
它的數學表達式是
按照安培環路定理 ,環路所包圍電流之正負應服從右手螺鏇法則。如果閉合路徑l包圍著兩個流向相反的電流I和I( 如左圖所示)
按圖中選定的閉合路徑l 的繞行方向,B矢量沿此閉合路徑的環流為
如果閉合路徑l包圍的電流等值反向,或者環路中並沒有包圍電流,則:
積分形式
電流I在一個曲面 上的通量,等於B場沿著 的邊緣閉合迴路 的路徑積分。採用國際單位制,原版安培定律的積分形式可以寫為:
。
請注意到這方程有些模糊之處,需要特別澄清:
第一,邊界曲線 的正向與曲面 的側符合右手規則。
第二,(固定 )定理之成立與以 為邊界 的的選擇無關。
安培定律可由畢奧-薩伐爾定律和磁場的疊加性證明(請參閱畢奧-薩伐爾定律)。在靜磁學中,安培定律的角色與高斯定律在靜電學的角色類似。當系統組態具有適當的對稱性時,我們可以利用這對稱性,使用安培定律來便利地計算磁場。例如,當計算一條直線的載流導線或一個無限長螺線管的磁場時,可以採用圓柱坐標系來匹配系統的圓柱對稱性。
微分形式
根據開爾文-斯托克斯定理,這方程也可以寫為微分形式。只有當電場不含時間的時候,也就是說,當電場對於時間的偏微分等於零的時候,這方程才成立。採用國際單位制,這方程表示為
。
磁場 的鏇度等於(產生該磁場的)傳導電流密度 。
缺點
原版安培定律只適用於靜磁學。在電動力學裡,當物理量含時間,有些細節必須仔細檢查。思考安培方程,
;
其中, 是B場, 是磁常數, 是總電流。
取散度於這方程,則會得到
。
套用一個矢量恆等式,鏇度的散度必定等於零。所以,
。
這意味著電流密度的散度等於零:
。
在靜磁學內,這是正確的。但是,出了靜磁學範圍,當電流不穩定的時候,這就不一定正確了。
一個正在充電的電容器,左邊的圓形金屬板,被一個假想的封閉圓柱表面 包圍。這圓柱表面的右邊表面 處於電容器的兩塊圓形金屬板之間,左邊表面 處於最左邊。沒有任何傳導電流通過表面 ,而有電流 I通過表面 。
舉個經典例子,如圖右,一個正在充電的電容器,其兩片金屬板會隨著時間分別累積異性電荷。設定表面 的邊緣為閉合迴路 。套用安培定律,
。
在這裡, 是通過任意曲面的電流,只要這曲面符合一個條件:邊緣為閉合迴路 。所以,這任意曲面可以是表面 ,而 是I;或者這任意曲面可以是封閉圓柱表面減去左邊表面 ,而由於通過這任意曲面的電流是 0, 是0。選擇不同的曲面會得到不同的答案,這在物理學裡,是絕對不允許發生的事。
為了解決上述難題,安培定律必須加以修改延伸。 套用流體力學的方法,麥克斯韋摹想磁場為電介質渦鏇(vortex)大海,而位移電流即為大海內的電極化電流。在他於1861年發表的論文《論物理力線》裡面,麥克斯韋將位移電流項目加入了安培定律。
證明方法
如果在某個載流導體的穩恆磁場中可以找到一條閉合環路l,該環路上的磁感強度B大小處處相等,B的方向和環路的繞行方向也處處同向,載流長直螺線管內磁場 套用安培環路定理 忽略了左右下的部分,證明並不是在環路上B的大小處處相等環路方向與磁感應強度方向相同處,B的大小方向處處相等。
對稱環路
在垂直於長直載流導線的平面內,以載流導線為圓心作一條半徑為r 的圓形環路l,
則在這圓周上任一點的磁感強度H的大小為
其方向與圓周相切.取環路的繞行方向為逆時針方向,取線元矢量dl,則H與dl間的夾角 ,H沿這一環路 l 的環流為
式中積分 是環路的周長。
於是上式可寫成為
從上式看到,H沿此圓形環路的環流 只與閉合環路所包圍的電流I 有關,而與環路的大小、形狀無關。
任意環路
在垂直於長直載流導線的平面內,環繞載流直導線作一條如下圖所示的任意環路l,取環路的繞行方向為逆時針方向。
在環路上任取一段線元dl,載流直導線線上元dl處的磁感強度B大小為
H與dl的夾角為 ,則H對dl的線積分為
直導線中心向線元的張角為 ,則有 ,所以有
可見,H對dl的線積分與到直導線的距離無關。
那么B對整個環路的環流值為
上述計算再次說明H的環流值 與環路的大小、形狀無關。
不包圍電流
在垂直於長直載流導線的平面內,在載流直導線的外側作一條如下圖所示的任意環路l,取環路的繞行方向為逆時針方向。
以載流直導線為圓心向環路作兩條夾角為 的射線,在環路上截取兩個線元 和 。 和 距直導線圓心的距離分別為 和 ,直導線在兩個線元處的磁感強度分別為 和 。從上圖可以看出 ,而 。利用安培環路定理的證明之二的結論可知
結論
所以有:
從載流直導線中心O出發,可以作許多條射線,將環路分割成許多成對的線元,磁感強度對每對線元的標量積之和,都有上式的結果,故 即環路不包圍電流時,B的環流值為零。
安培環路定理反映了磁場的基本規律。和靜電場的環路定理 相比較,穩恆磁場中B 的環流 ,說明穩恆磁場的性質和靜電場不同,靜電場是保守場,穩恆磁場是非保守場。
計算套用
利用安培環路定理求磁場的前提條件:如果在某個載流導體的穩恆磁場中,可以找到一條閉合環路l,該環路上的磁感強度B大小處處相等,B的方向和環路的繞行方向也處處同向,這樣利用安培環路定理求磁感強度B的問題,就轉化為求環路長度,以及求環路所包圍的電流代數和的問題,即
利用安培環路定理求磁場的適用範圍:在磁場中能否找到上述的環路,取決於該磁場分布的對稱性,而磁場分布的對稱性又來源於電流分布的對稱性。因此,只有下述幾種電流的磁場,才能夠利用安培環路定理求解。
1.電流的分布具有無限長軸對稱性
2.電流的分布具有無限大面對稱性
3.各種圓環形均勻密繞螺繞環
利用安培環路定理求磁場的基本步驟
1.首先用磁場疊加原理對載流體的磁場作對稱性分析;
2.根據磁場的對稱性和特徵,選擇適當形狀的環路;
3.利用公式求磁感強度。