9.3.10∗. По поверхности полубесконечного кругового цилиндра радиуса $R$ течет поперечный ток линейной плотности $i$.
$а.$ Определите составляющую индукции магнитного поля вдоль оси цилиндра в крайнем его сечении $AA′$.
$б.$ Как зависит индукция магнитного поля на оси цилиндра от расстояний $x_1$ и $x_2$ до его конца? Чему равна эта индукция на больших расстояниях от цилиндра?
Решение
К задаче $9.3.10$
Для решения воспользуемся полученной в задаче $9.3.7$ формулой
$$B_{\parallel} =\frac{\mu_0i\Omega}{4\pi}\tag{1}$$
где $\Omega$ — телесный угол, под которым видна поверхность.
а$а.$ В сечении AA′ телесный угол $\Omega=2\pi$.(Можно представить себя находящимся в сечении $AA′$, тогда половину видимого пространства будет "занимать" поверхность цилиндра)
Тогда составляющая индукции магнитного поля вдоль оси цилиндра (а значит, параллельная поверхности с током) равна $$B=\frac{\mu_0i\cdot2\pi}{4\pi}=\frac{1}{2}\mu_0i$$
б$б. 1)$ Рассмотрим расстояние $x_1$. Находясь на оси цилиндра мы видим его как кольцо, причем под телесным углом, эквивалентном телесному углу круглого конуса с основанием радиуса $R$ и высотой $x_1$.Тогда $$\Omega = 2\pi (1 - \cos\alpha)\tag{2}$$ где $\alpha$ - угол полураствора конуса, $$\cos\alpha=\frac{x_1}{\sqrt{x_1^2+R^2}}$$ Формула (2) была выведена в задаче $9.3.18$. Подставляя всё это в (1): $$B=\frac{\mu_0i}{4\pi}\cdot2\pi\left( {1-\frac{x_1}{\sqrt{x_1^2+R^2}}} \right)=\frac{1}{2}\mu_0i\left( {1-\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{R}{x_1})^2}}} \right)\tag{3}$$ $2)$ Теперь рассмотрим $x_2$. В этом случае телесный угол будет разностью полного телесного угла и телесного угла конуса, аналогичного описанному в п.$1$. $$B=\frac{\mu_0i}{4\pi}\cdot\left( {4\pi-2\pi\left( {1-\frac{x_2}{\sqrt{x_2^2+R^2}}} \right)}\right)=\frac{\mu_0i}{4\pi}\cdot2\pi\left( {1+\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{R}{x_2})^2}}} \right)$$ $$B=\frac{1}{2}\mu_0i\left( {1+\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{R}{x_2})^2}}} \right)\tag{4}$$