“磁針等效法”判定磁場(chǎng)力方向不一定等效

袁立生

(四川德陽(yáng)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 四川 德陽(yáng) 618000)

所謂“磁針等效法”就是將一個(gè)通電(閉合)線(xiàn)圈等效為一個(gè)“磁針”，用以判定電流體之間或磁場(chǎng)對(duì)電流體的磁場(chǎng)力方向的一種方法.該方法以其簡(jiǎn)便、快捷、易學(xué)、易掌握為優(yōu)點(diǎn)，在高中物理教學(xué)中被教師廣泛教授給學(xué)生.但筆者發(fā)現(xiàn)該方法并非一定正確、可靠，即“磁針等效法”不一定“等效”.

如圖1所示,有通電矩形線(xiàn)框abcd分別位于無(wú)限長(zhǎng)通電直導(dǎo)線(xiàn)PQ兩側(cè)和正中位置.現(xiàn)要判定線(xiàn)框在3個(gè)位置處各受磁場(chǎng)力的方向.

圖1

方法1:常規(guī)方法

如圖1(a)所示，ab邊中電流方向與PQ中電流方向相同，其磁場(chǎng)力是相互吸引的，故ab邊受磁場(chǎng)方向向右.cd邊中電流方向跟PQ中電流方向相反，其磁場(chǎng)力是相斥的，故cd邊受磁場(chǎng)力方向向左.很顯然，bc邊和da邊受磁場(chǎng)力是大小相等、方向相反，而ab邊所受磁場(chǎng)力大于cd邊受的磁場(chǎng)力.綜合可知，該位置處線(xiàn)框受磁場(chǎng)力的合力方向是向右的.

同理可分析，線(xiàn)框在圖1(c)所示位置處受磁場(chǎng)力合力的方向也是向右的.

如圖1(b)所示，ab邊中電流方向跟PQ中電流方向相同，二者相互吸引，故ab邊受磁場(chǎng)力方向向左.cd邊中電流方向與PQ中電流方向相反，二者相互排斥，故cd邊受磁場(chǎng)力方向也向左.bc邊和da邊受磁場(chǎng)力相抵消,故線(xiàn)框abcd在該位置處受磁場(chǎng)力方向向左.

方法2:磁針等效法

圖2

通電線(xiàn)框abcd等效于一個(gè)“磁針”，根據(jù)右手螺旋法則知，該“磁針”的N極垂直紙面向外，S極垂直紙面向里.PQ中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)線(xiàn)是以PQ為圓心的同心圓，從上往下看是逆時(shí)針?lè)较虻?我們作出“磁針”在PQ直線(xiàn)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的“等效”圖(從上往下看)如圖2所示.

磁感線(xiàn)上某點(diǎn)的切線(xiàn)方向就是該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向.而磁針在磁場(chǎng)中其N(xiāo)極受力方向跟該點(diǎn)磁場(chǎng)方向相同，S極受力方向跟該點(diǎn)磁場(chǎng)方向相反.據(jù)此，“等效磁針”在圖1(a)、(b)、(c)位置處兩極受力情況如圖2中F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3所示(圖中N極和S極受力符號(hào)未作區(qū)別).很顯然，從上往下或從正前方看去，通電線(xiàn)框abcd在(a)、(b)、(c)位置處受合力方向都是向右的.

比較上述兩種方法判定的結(jié)果，在左右圖(a)、

(c)位置處結(jié)論相同，在圖(b)位置處結(jié)論相反.這表明，在圖(b)位置處“磁針等效法”不“等效” .

進(jìn)一步的分析可知,不僅在圖(b)位置處，實(shí)際上，只要通電線(xiàn)框abcd的ab和cd兩邊分別位于直線(xiàn)電流PQ的兩側(cè)，則用“磁針等效法”判定受磁場(chǎng)力的方向的結(jié)果就是錯(cuò)誤的,是“不等效”的.

下面，我們?cè)倥e一個(gè)不等效的例子.

圖3 圖4

如圖3所示，圓形線(xiàn)圈A平行于紙面放置，B垂直于紙面放置，設(shè)A固定不動(dòng)，圓形線(xiàn)圈B可自由轉(zhuǎn)動(dòng).如果通以如圖方向電流時(shí)，則B如何轉(zhuǎn)動(dòng)？

以“同向電流相互吸引,異向電流相互排斥”很容易得到正確結(jié)論即從上往下看，B會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng).

但是當(dāng)把兩個(gè)線(xiàn)圈都各自等效為一個(gè)小磁針時(shí)，則從上往下看，即如圖4所示，根據(jù)同名磁極相斥，異名磁極相吸的原理，則B線(xiàn)圈就會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng).

當(dāng)然，讀者可檢驗(yàn),若只將其中一個(gè)線(xiàn)圈(如B)等效為一個(gè)小磁針，并應(yīng)用“磁場(chǎng)中小磁針N極受力方向就是磁場(chǎng)方向”的原理時(shí)，又會(huì)得出正確結(jié)論.

為什么會(huì)出現(xiàn)“磁針等效法”“不等效”的情況呢？筆者以為，“磁針”的模型來(lái)源就是“磁感線(xiàn)起于N極終于S極”，而實(shí)際上的磁感線(xiàn)是無(wú)起無(wú)終的閉合線(xiàn).換句話(huà)說(shuō)，在磁的世界里本來(lái)就不存在什么N極和S極(磁極子目前還沒(méi)有找到)，如無(wú)限長(zhǎng)通電直導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁感線(xiàn)是一簇同心圓，它就無(wú)法“等效”于任何一個(gè)磁體.我們說(shuō)，“等效法”僅僅是一種“方法”而不是根本規(guī)律.任何一種解決問(wèn)題的“方法”都不是萬(wàn)能的或總是正確的.如此，出現(xiàn)“磁針等效法”“不等效”的情況也就不足為怪了.

在教學(xué)中教師應(yīng)告訴學(xué)生,在使用“磁針等效法”時(shí)應(yīng)該審慎，最好用其他方法加以佐證或使用“根本規(guī)律(如左手定則等)”為好.