9.3.18∗. Ток $I$ по длинному прямому проводу входит в проводник перпендикулярно его поверхности и равномерно растекается по нему. Как зависит индукция магнитного поля внутри проводника от угла $\beta$ и расстояния $r$?
Решение
Все точки проводника с одинаковыми $r$ и $\beta$, как нетрудно заметить, составляют окружность. Радиус такой окружности будет равен $R=rsin\beta$
Тогда воспользуемся теоремой о циркуляции $B$ по замкнутому контуру $$\int Bdl=\mu_0\sum I\tag{1}$$ для этой окружности. Её лина равна $l=2\pi rsin\beta$
Ток, согласно условию, течет одинаково во всех направлениях, причем видимо поверхность проводника вблизи точки присоединения провода можно считать плоской.
Тогда отношению тока, текщего через нашу окружность, к полному току равно $\frac{I'}{I}=\frac{\Omega}{2\pi}$, где $\Omega$ - телесный угол, под которым окружность видна из точки присоединения провода. Тогда теорема (1) примет вид $$B\cdot 2\pi rsin\beta=\mu_0I\frac{\Omega}{2\pi}\tag{2}$$ $\Omega$ - телесный угол при вершине прямого конуса с углом полураствора $\beta$, поэтому можно воспользоваться известной формулой*: $$\Omega=2\pi(1-cos\beta)$$ $$B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\frac{1-cos\beta}{sin\beta}\tag{3}$$ Используя тригонометрическую формулу $$tg\frac{\beta}{2}=\frac{1-cos\beta}{sin\beta}$$ окончательно получим: $$B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}tg\frac{\beta}{2}\tag{4}$$
*Вывод формулы:
Рассмотрим сферу радиусом $R$ с центром в вершине конуса. Конус вырезает на этой сфере часть поверхности, которая представляет собой сферический сегмент (шапочку). Элемент площади $dS$ на сфере в сферических координатах выражается как $$dS = R^2 \sin\theta \ d\theta \ d\varphi$$ где $\theta$ — полярный угол (отклонение от оси), а $\varphi$ — азимутальный угол (угол поворота вокруг оси). Для прямого конуса с углом полураствора $\beta$, полярный угол $\theta$ изменяется от $0$ до $\beta$, а азимутальный угол $\varphi$ изменяется от $0$ до $2\pi$ (полный оборот). Интегрируем элемент площади по этим пределам: $$S = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\beta} R^2 \sin\theta \ d\theta \ d\varphi$$ $$S = 2\pi R^2 (1 - \cos\beta)$$ Подставляем полученное выражение в определение телесного угла: $$\Omega = \frac{S}{R^2} = 2\pi (1 - \cos\beta)$$