Закон полного тока: теорема о циркуляции и формула B
Закон полного тока, он же теорема о циркуляции магнитного поля, связывает циркуляцию вектора магнитной индукции по замкнутому контуру с током, который этот контур охватывает. Это магнитный аналог теоремы Гаусса: там поток поля сквозь поверхность определялся зарядом внутри, здесь циркуляция вдоль контура определяется током сквозь него. Главная польза закона в том, что в симметричных задачах он позволяет найти индукцию без интегрирования по закону Био-Савара: достаточно удачно выбрать контур. Ниже разберём формулировку, как правильно выбирать контур Ампера, как считать охваченный ток и как выводятся формулы поля для проводника, соленоида и тороида. Чтобы сразу увидеть связь тока, радиуса и поля, покрути калькулятор ниже: он строит профиль и сечение с контуром, а дальше мы разберём каждую формулу строго.
Формулировка теоремы о циркуляции
Закон полного тока в интегральной форме записывается так:
где слева стоит циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру , а справа - алгебраическая сумма токов, охваченных этим контуром, умноженная на магнитную постоянную Тл·м/А. Слово «полного» в названии подчёркивает: учитывается весь ток, пронизывающий натянутую на контур поверхность, со своим знаком по правилу буравчика.
Важно понимать, что циркуляция не зависит от формы и размера контура - только от того, какой ток он охватывает. Если контур не охватывает ток вовсе, его циркуляция равна нулю, хотя поле в каждой точке контура может быть отличным от нуля. Именно эта особенность делает теорему рабочим инструментом: правую часть мы знаем заранее из условия, а левую сводим к простому произведению благодаря симметрии.
Как выбрать контур Ампера
Сам по себе закон полного тока верен для любого контура, но «решает задачу» только удачно выбранный. Контур Ампера подбирают так, чтобы интеграл брался устно. Для этого используют симметрию:
- на участках контура поле либо постоянно по модулю и направлено вдоль (тогда вклад равен ),
- либо перпендикулярно (тогда вклад нулевой).
Для прямого проводника симметрия осевая, поэтому контур берут в виде окружности с центром на оси: вдоль неё модуль постоянен, и циркуляция превращается в . Для соленоида и тороида выбирают прямоугольный или круговой контур так, чтобы ненулевой вклад давал только один его участок.

На рисунке видно ключевую идею: вектор всюду касателен к окружности, поэтому скалярное произведение сводится к произведению модулей, и поле выносится за знак интеграла.
Поле прямого проводника внутри и снаружи
Разберём канонический пример - бесконечный прямой проводник радиуса с равномерно распределённым по сечению током . Возьмём круговой контур радиуса . Циркуляция всегда одна и та же:
Разница только в правой части - в том, какой ток охватывает контур. Если контур снаружи проводника (), он охватывает весь ток , и поле спадает обратно пропорционально расстоянию:
Если контур внутри проводника (), он охватывает лишь долю тока, пропорциональную площади:
То есть внутри поле растёт линейно от нуля на оси до максимума на поверхности, а снаружи спадает как . На границе оба выражения дают одно и то же значение - поле непрерывно.

Этот профиль и считает калькулятор выше: задай ток и радиус проводника, передвинь контур внутрь и наружу - увидишь, как охваченный ток и индукция меняются согласно тем же формулам.
Поле соленоида и тороида
Теорема о циркуляции одинаково хорошо работает для катушек. Для длинного соленоида с плотностью намотки витков на метр выбирают прямоугольный контур, одна сторона которого лежит внутри вдоль оси, а противоположная - снаружи, где поле практически равно нулю. Ненулевой вклад даёт только внутренняя сторона длины , охваченный ток равен , и из закона полного тока сразу следует однородное поле внутри:
Для тороида берут круговой контур радиуса по его средней линии. Контур охватывает все витков, по каждому течёт ток , поэтому , а циркуляция равна :
Оба результата получены устно благодаря удачному выбору контура - в этом и состоит сила закона полного тока по сравнению с прямым интегрированием поля по закону Био-Савара.
Дифференциальная форма
Если перейти от конечного контура к бесконечно малому, теорема о циркуляции превращается в дифференциальное уравнение - одно из уравнений Максвелла для магнитостатики:
где - плотность тока. Оно говорит, что вихри магнитного поля порождаются током в данной точке. В переменных полях правую часть дополняет ток смещения Максвелла, но для постоянных токов хватает приведённой формы. Интегральная и дифференциальная записи эквивалентны: переход между ними даёт теорема Стокса.
Частые ошибки
- Путают циркуляцию и поле. Нулевая циркуляция не означает нулевое поле: если контур не охватывает ток, , но в точках контура может быть любым.
- Берут весь ток внутри проводника. При контур охватывает только долю , а не полный ток . Подстановка полного тока даёт завышенное поле.
- Забывают про симметрию. Закон полного тока даёт устно только когда контур согласован с симметрией. Для несимметричной конфигурации он по-прежнему верен, но не позволяет вынести из интеграла.
- Знак охваченного тока. Токи учитываются алгебраически: ток против выбранного направления обхода входит со знаком минус по правилу буравчика.
- Единицы радиуса. В формулу радиус подставляют в метрах. Миллиметры без перевода занижают и завышают в тысячу раз.
FAQ
Чем закон полного тока отличается от закона Био-Савара? Оба дают одно и то же магнитное поле, но по-разному. Закон Био-Савара считает вклад каждого элемента тока интегрированием и работает всегда. Закон полного тока выражает циркуляцию через охваченный ток и позволяет найти устно, но только в симметричных задачах с удачным контуром.
Почему вне длинного соленоида поле почти нулевое? Линии поля замыкаются внутри соленоида, а снаружи распределяются по всему пространству, так что плотность их крайне мала. В идеализации бесконечного соленоида внешнее поле принимают равным нулю, и тогда контур Ампера даёт ровно внутри.
Можно ли применять теорему к переменным токам? В исходной форме закон полного тока верен для постоянных токов. Для переменных полей Максвелл добавил ток смещения: . С этой поправкой теорема становится одним из уравнений Максвелла и работает в общем случае.
Коротко
Закон полного тока утверждает, что циркуляция магнитного поля по замкнутому контуру равна на охваченный этим контуром ток: . В симметричных задачах удачный выбор контура Ампера сводит циркуляцию к произведению и даёт поле без интегрирования: для прямого проводника снаружи и внутри, для соленоида , для тороида . В дифференциальной форме это уравнение Максвелла .
Читайте также

Эффект Коттона-Мутона: магнитное двулучепреломление
Эффект Коттона-Мутона простыми словами: магнитное двулучепреломление в поперечном поле, формула разности фаз через постоянную Коттона-Мутона, связь с эффектом Керра и опыты.

Преобразование электрического и магнитного поля в СТО
Преобразование электрического и магнитного поля между системами отсчёта: формулы Лоренца для E и B, инварианты, и почему у движущегося заряда появляется магнитное поле.

Сила Лоренца: формула и задачи с решением
Сила Лоренца: формула F = qvB sin a, почему сила перпендикулярна скорости и не совершает работы, радиус окружности r = mv/(qB) и период обращения в задачах.