關(guān)于“筒狀磁鐵磁場(chǎng)方向”的探討

摘要：實(shí)驗(yàn)表明筒狀磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)方向與通電螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)方向完全相反。本文根據(jù)電磁學(xué)理論，系統(tǒng)介紹了鐵磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)筒狀磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)方向作了解釋。

關(guān)鍵詞：筒狀磁鐵；磁化；磁場(chǎng)方向

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6148(2008)1(S)-0035-2

讀了《中學(xué)物理教學(xué)參考》2005年第3期張明元老師的《筒狀磁鐵的磁場(chǎng)方向的“悖論”》一文后深受感觸。張老師在教學(xué)過(guò)程中善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，善于運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段去研究問(wèn)題，這值得大家學(xué)習(xí)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：筒狀磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)方向與通電螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)方向完全相反，并對(duì)“筒狀磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)方向”的解釋深感困惑。對(duì)此，筆者想借貴刊一角發(fā)表一些粗淺的看法。敬請(qǐng)諸位同仁斧正。

眾所周知，在靜止電荷的周?chē)嬖谥妶?chǎng)，若電荷運(yùn)動(dòng)則其周?chē)粌H有電場(chǎng)而且還有磁場(chǎng)。即運(yùn)動(dòng)電荷或電流，在其周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以一切磁現(xiàn)象的根源都在于電流——電荷的運(yùn)動(dòng)。筆者認(rèn)為，該文把筒狀磁鐵的磁場(chǎng)與通電螺線管的磁場(chǎng)混為一談。盡管它們產(chǎn)生的“微觀”機(jī)理都在于電荷的運(yùn)動(dòng)，但是，它們產(chǎn)生磁場(chǎng)的“宏觀”機(jī)理卻略有不同。

對(duì)通電螺線管來(lái)說(shuō)，組成通電螺線管的各匝線圈可以看作一個(gè)個(gè)圓形導(dǎo)線，載流直螺線管在某點(diǎn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，相當(dāng)于各匝圓線圈在該點(diǎn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的疊加。載流圓導(dǎo)線周?chē)鸥芯€的分

布情況如圖1所示，圓心O點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直圓平面指向紙外。螺線管電流的磁感線分布如圖2所示，從圖示中，可以得出一個(gè)重要的結(jié)論：任何磁場(chǎng)的磁感線與通電螺線管的一樣，無(wú)頭無(wú)尾，磁場(chǎng)是渦旋場(chǎng)。即我們常說(shuō)的：在通電螺線管的外部，磁感線是由北極出來(lái)，回到南極；在內(nèi)部磁感線方向是由南極指向北極，并和外部磁感線相連，形成閉合曲線。

對(duì)筒狀磁鐵而言，根據(jù)鐵磁體磁化特性可作如下解釋?zhuān)喝魏挝镔|(zhì)都是由分子或原子組成的。而分子或原子中任何一個(gè)電子都同時(shí)參與兩種運(yùn)動(dòng)，即環(huán)繞原子核的運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋，這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)。把分子或原子看作一個(gè)整體，分子或原子中各個(gè)電子對(duì)外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和，可用一個(gè)等效的圓電流表示，稱(chēng)為分子電流。這種分子電流具有一定的磁矩，即分子磁矩。在鐵磁質(zhì)中，相鄰原子間存在著非常強(qiáng)的交換耦合作用，這個(gè)相互作用促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成一個(gè)自發(fā)磁化飽和狀態(tài)區(qū)域，這些微小區(qū)域稱(chēng)為磁疇。在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，在每個(gè)磁疇中，原子的分子磁矩均取向同一方向，但對(duì)不同的磁疇，其分子磁矩的取向各不相同，如圖3所示。磁疇的這種排列方式，使磁體處于能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對(duì)整個(gè)鐵磁體來(lái)說(shuō)，宏觀區(qū)域的平均磁矩為零，物體不顯示磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁矩與外磁場(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能低于反向排列時(shí)的磁能，結(jié)果那些自發(fā)磁化磁矩和外磁場(chǎng)成小角度的磁疇處于有利地位，其體積逐漸擴(kuò)大；而自發(fā)磁化磁矩和外磁場(chǎng)成較大角度的磁疇體積逐漸縮小，最終所有磁疇沿外磁場(chǎng)方向整齊排列。當(dāng)然磁疇體積擴(kuò)張并不是逐漸地進(jìn)行的，而是在外磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)突然發(fā)生。這就反映了鐵磁體磁化過(guò)程的不可逆性，具體表現(xiàn)為磁滯現(xiàn)象。同時(shí)，各個(gè)磁疇還受到阻礙它們轉(zhuǎn)向的摩擦阻力，因而在外磁場(chǎng)停止作用后，磁疇的某種排列被保留下來(lái)，使磁體留有部分磁性，表現(xiàn)為磁現(xiàn)象，如圖4所示?？傊?，鐵磁質(zhì)內(nèi)磁疇的存在是鐵磁體磁化特性的內(nèi)在根據(jù)。

鑒于上述認(rèn)識(shí)，當(dāng)金屬筒狀物體被磁化成為筒狀磁鐵，其金屬筒壁內(nèi)部所有磁疇沿外磁場(chǎng)方向整齊排列，筒壁內(nèi)部的磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向取向一致。不論筒壁有多厚或有多薄，只要圓筒的內(nèi)徑不為零，除金屬筒壁本身之外的一切空間均應(yīng)視作磁體的外部，包括圓筒內(nèi)部的空間不也是筒壁的外部嗎？現(xiàn)不妨將筒壁沿筒壁方向進(jìn)行無(wú)限分割，每一微元相當(dāng)于一個(gè)條形磁鐵，其磁感線分布大家十分清楚：遵循渦旋場(chǎng)理論。這些微元磁鐵的磁場(chǎng)疊加起來(lái)便是筒狀磁鐵的磁場(chǎng)，其磁感線分布如圖5所示。當(dāng)內(nèi)徑趨近于零時(shí)，筒狀磁鐵逐漸變成了條形磁鐵，這也完全與事實(shí)吻合。

總之，筒狀磁鐵的磁場(chǎng)相當(dāng)于許多條形磁鐵疊加而成的磁場(chǎng)，其磁感線是由金屬筒壁內(nèi)部與筒壁之外的空間構(gòu)成的閉合曲線，是渦旋狀的。而通電螺線管的磁場(chǎng)相當(dāng)于若干個(gè)圓線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的疊加。因此，決不能將筒狀磁鐵圓筒之內(nèi)的空間與載流直螺線管的管內(nèi)空間混為一談。這就是它們?cè)诤暧^機(jī)理上存在的差異。

參考文獻(xiàn)：

趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2003.4

（欄目編輯 羅琬華）