磁感应线是套连载闭合载流回路上的闭合线。若取磁感应强线的环路积分,则因b与dl的夹角θ=0,cosθ=1,故在每条线上,从而。安培环路定理就是反映磁感应这一特点的。
安培环路定理:磁感应强度沿任何闭合环路l的线积分,等于穿过这环路所有电流强度的代数和的μ0倍。用公式表示有: 。
其中电流i的正负规定如下:当穿过回路l的电流方向与回路l的环绕方向服从右手法则时,i>0,反之,i<0。如果电流不穿过回路l,则它对上式右端无贡献。
安培环路定理的证明,如图:
dl是l上的线元,dl'代表载流回路l'上的线元。按照毕奥-萨伐尔定律:
其中代表ds对场点p所张的立体角dω,沿l'的积分代表整个载流回路作位移-dl时扫过的带状面对p点所张的立体角ω。所以 。
假设以l'为边界作一曲面s',s'对p点也张有一定的立体角ω。当l'平移时,ω随之改变。如上图l2'和l1'分别是l'沿-dl平移前后的新、旧位置,令s2'和s1'代表s'的相应位置,ω2和ω1代表相应的立体角。因s2'和s1'和带状面组成闭合曲面,它对于外边的p点所张的总立体角ω2-ω1+ω=0,所以:
由于dl是任意的,从而,即磁场正比于载流线圈对场点所张立体角的梯度。
假设场点p沿闭合的安培环路l移动一周,则环路积分 将正比于立体角ω在此过程中的总改变量δω。如果l不与l'套连,则δω=0,于是: 但是,当l与l'套连时,δω=4π。因此: 。所以安培环路定理得证。
注意:该定理表达式中各物理量的意义。i只包括穿过闭合回路l的电流。b代表空间所有电流产生的磁场强度的矢量和,其中也包括那些不穿过l的电流产生的磁场,只不过后者的磁场沿闭合环路积分后的总效果为0。i只包括穿过闭合回路l的电流。