磁学教学中几个值得注意的问题

维普资讯 http://www.cqvip.com 第１７卷第４期　２００２年１２月　柳州师专学报　Ｖｏ１．１　，Ｎｃ．４　Ｄｅ：　２∞２　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｕｚｈｏｕ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　磁学教学中几个值得注意的问题　曾宪彪　（柳州师范高等专科学校物理系，广西柳州５４５００２）　摘　要：磁学是基础物理学的基本内容之一，近几年的教学中遇到一些似是而非的问题．如磁极间的相互　作用、永磁体极性的判断和磁感应线的描绘等，本文将就这些问题进行讨论。　关键词：磁学；磁极；磁感线　中图分类号：Ｏ４４１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００３—７０２０（２００２）０４—０１０５—０３　一、磁极之间的相互作用，并不都是“同性磁　等效北极），很显然，在这里是“同性磁极相吸　引”．若把磁体的Ｓ极从通电螺线管的Ｓ极插　管　内，此时磁体的Ｓ极受力方向与螺线管内磁感应　强度　的方向相反．明显地在这里是“异性磁极耜　极相互排斥，异性磁极相互吸引”　磁极之间有相互作用，其规律是“同性磁极相　互排斥，异性磁极相互吸引”，但这种作用规律是　有条件的，只有在永磁体之间或是通电螺线管外　部磁场中，上述规律才是正确的，如果离开了这个　条件，或许就会出现意想不到的结果．例如，在通　电螺线管内部，磁极之间的相互作用就是“同性磁　排斥”．就整个磁体而言，由于磁体的Ｓ极在螺线　Ｓ　极相互吸引，异性磁极相互排斥”．大家都知道，磁　场是用磁感应强度　来描述的，对　方向的规定　通常是由运动电荷或载流导体的受力来进行，磁　场中某点的　方向规定在零力线上，而且运动电　荷所受的洛仑兹力，、带电粒子的运动速度移以及　磁感应强度　三者之间满足右手螺旋关系：，＝　×Ｂ．另一种方法是把小磁针Ｎ极的受力方向，亦　ａｌＪ，，Ｊ，磁针在磁场中静止时Ｎ极的指向规定为磁感　应强度　的方向，这两种规定所得出的结果是一　管的外面，它所受的力与　的方向相反，故磁体的　图１　Ｓ极与螺线管的Ｓ极是相互排　的．因为螺线管　内的磁场比管外的磁场强，因此磁　Ｎ极所受的　致的．由此可见，磁体Ｎ极在磁场中的受力方向与　磁感应强度　的方向相同，而它的Ｓ极受力方向　与　的方向相反．这是我们在判断磁极之间相互　力　大于其Ｓ极所受的力　，于是磁体所受螺线　管的作用力指向管内，即它将被吸入螺线管内．很　多学生在讨论这个问题时常常会得到相反的结　作用时是吸引还是排斥的依据．让我们来看一个　果，其理由是磁体的Ｎ极与螺线管的Ｎ极相排　例子，如图１所示，把一条形磁体的Ｎ极从通电螺　斥，磁体的Ｓ极与螺线管的Ｓ极相排斥，因此磁体　线管的Ｓ极插入管内，并让磁体的Ｓ极留在管外，　此时磁体的Ｎ极受力方向为螺线管内磁感应强度　的方向，也就是指向通电螺线管的Ｎ极（称之为　收稿日期：２００２—０９—１０　作者简介：曾宪彪（１９６２一），男，广西柳江人，副教授。　１０５　应该被推出螺线管外，而得出如此错误的结论．因　此，我们在教学中要注意引导学生正确分析磁极　受力的情况，以避免出现类似的错误．　维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ７卷第４期　柳州师二、条形磁铁的磁极并不都是一头是Ｎ极另　一头是Ｓ极　尽管目前国内外仍有不少学者在寻找磁单　极，但到目前还没有发现孤立的磁单极，因此不管　磁单极是否存在，大量的实验和近代物理理论已　经论证了磁现象起源于电荷的运动（当然也包括　电流），安培的分子电流假说为我们揭示了永磁体　激发磁场的奥秘，同时也指出了磁体上的Ｎ极和　ｓ极是成双成对出现而不能分开的．教科书在讲　到条形磁铁时总是这样描述的：条形磁铁两端磁　性最强，称之为磁极，分别叫Ｎ极和Ｓ极，而且不　管你把该条形磁铁从中间折成两段，或是继续依　次把它折成四段或八段等等，其中每一小段的两　端仍分别是Ｎ极和Ｓ极．然而，用一种特殊的方法　可以制造出两端都是Ｎ极或都是Ｓ极的条形磁铁　来，其方法是：取一根实验室里常用的条形磁铁，　先将它放在充磁器中退掉磁性，然后把它的一端　放入充磁器里（注意别插入太多）充磁，接着换另　一端从同一方向插入充磁器中充磁，这就可以制　成两端都是Ｎ极或Ｓ极的条形磁铁了．这似乎有　些不可思议，但事实上它没有什么违反物理理论　的地方，这样做的效果只不过是相当于把两根条　形磁铁的同性磁极强行粘接在一起而形成的，所　以两端是同极性的磁铁，其磁感应线的分布如图　２所示，当然这种特制的条形磁铁若从中间断开，　图２　断开处不但不相互吸引反而是相互排斥．　三、如何判断被磁化后的小钢针的磁极　铁磁材料如小钢针放在通电的螺线管内或让　它与永磁体的磁极摩擦一下，它就会被磁化而带　有磁性，这些小磁针的磁极怎样确定？如果我们　从铁磁材料被磁化的机制和磁化的过程去考虑，　就不难得到问题的答案．按安培分子电流的观点，　每一个原子或分子都可以看着一个环形电流即分　子电流，相应的磁矩就是分子磁矩，它们都要激发　１０６　专学报　２００２年ｌ２月　磁场，但通常情况下，因热运动使分子磁矩的排列　杂乱无章，此时物质不显示出宏观的磁性．如果把　铁磁体放到通电的螺线管或与永磁体的磁极摩　擦，那么铁磁体内的每一个分子磁矩都会受到磁　场的作用力而趋向于外磁场的分布，这样铁磁体　就显示出宏观的磁性．由于磁化时分子磁矩是趋　向于外磁场的方向排列的，因此它所产生的磁场　方向与外磁场的方向相同，当铁磁体离开外磁场　时，它的分子磁矩排列尽管会乱一些，但仍然还保　留有原来方向上的宏观磁矩，这就是剩磁产生的　原因，也就是利用磁化来制造永磁体的原理所在．　根据这个原理，可以用钢针在磁化时外磁场穿过　钢针的磁场方向来判断小钢针被磁化后的磁极，　即磁化时外磁场穿过钢针的方向就是钢针内部的　磁场方向，它是由Ｓ极指向Ｎ极的．若是用小钢针　与磁极摩擦的方式磁化小钢针，我们还可以用一　种更方便的方法去判断小钢针的磁极：小钢针靠　近永磁体磁极一端的极性一定与永磁体的极性相　反．　四、描绘通电长直导线磁感应线的方法　一个矢量场除了可以用矢量函数来描述外，　ａ　ｂ　图３　还可以用力线的方法来描述，磁感应线就是用来　形象描述磁场的力线．其方法是在磁场中画一些　有方向的曲线，曲线上的每一点的切线方向与该　点的磁感应强度　的方向相同，通过垂直于磁感　应强度　的单位面积上的磁感应线的条数与该处　的　值的大小成正比通电长直导线的磁感应线　维普资讯 http://www.cqvip.com 曾完彪：磁学教学中几个值得注意的问题　过去的教科书中，往往只画出它在垂直于导线平　面内的磁感应线的分布，它是以导线为心的同心　把画线的地方与它左右两边相比，就难以用线的　疏密程度去描述磁感应强度的大小了，因为此时　画一个相同大小的矩形，如果它的取向不同，即使　在与导线等距离的地方，该面积内通过的感应线　的条数也不相同．为了解决这个问题，可以把图画　圆环，而且离圆心越远相邻圆环之间的距离越大，　如图３ｎ所示．若导线在平面上，磁感应线又该怎　样画呢？根据右手螺旋关系知道，导体周围的磁　感应线一定与该平面正交，而且是一边进去另一　成图３ｃ所示，但这似乎又表达不出“到导线等距　离的地方磁感应强度相同而与导线轴向位置无关　这一事实”，因此在画磁感应线的分布时可以把线　画得乱一些，只要大体上反映出离导线越近处磁　感应线越密，离导线越远则磁感线越疏就可以了，　如图３ｄ所示，这就能更好地反映出磁场的分布．　（责任编辑：梁文杰）　边出来，关键是这些线的密度怎么分布．若按对称　关系应画成图３６，从离导线的远近方向去看，离　导线越远磁感应线越疏，这是对的；如果从导线的　纵向来看，磁感应线是等距离的，表明离导线相同　距离的地方磁感强度相同，这也和事实相符．但若　ｊ　Ａｎ　Ｏｐｉｎｉｏｎ　Ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　Ｉｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　ＺＥＮＧ　Ｘｉａｎ．ｂｉａｏ　（Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｌｉｕｚｈｏｕ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉｕｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｘｉ　５４５００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎｕｎｄａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｗｈｉｃｈ　ｅｍｅｒｇｅ　ｓｏｍｅ　ｓｐｅｃｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｕｔｕａｌ　ａｃｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｏｌｅｓ，ｔｈｅ　ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｅｒｍａ．ｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｐｏ—　ｌａｘｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃｓ；ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｏｌｅ；ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　Ｊ０７