手電筒通電時(shí)吸引不動(dòng)大頭針是因?yàn)榇艌?chǎng)太弱嗎

摘?要：本文根據(jù)通電直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式，用邏輯推理的方法證明，外殼是金屬材料的手電筒無(wú)論通入的電流大或小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)或弱，手電筒的外殼都不會(huì)吸引包括大頭針在內(nèi)的所有磁性材料，從而說(shuō)明教科書(shū)中關(guān)于手電筒磁性論斷內(nèi)容不妥的原因.

關(guān)鍵詞：手電筒;磁性材料;磁感應(yīng)強(qiáng)度;吸引

作者簡(jiǎn)介：王偉民（1964-），男，安徽太和人，本科，中教高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

人教版義務(wù)教育教科書(shū)九年級(jí)（全一冊(cè)）第20章內(nèi)容為電與磁，本章第2節(jié)的標(biāo)題為“電生磁”，教科書(shū)分別介紹了通電直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)規(guī)律和通電螺線(xiàn)管周?chē)拇艌?chǎng)規(guī)律.在介紹完通電直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)規(guī)律，定義了電流的磁效應(yīng)之后，為了引入螺線(xiàn)管，課本插入如下一段內(nèi)容：

“既然電能生磁，為什么手電筒在通電時(shí)連一根大頭針都吸引不動(dòng)？這是因?yàn)樗拇艌?chǎng)太弱了.如果把導(dǎo)線(xiàn)繞在圓筒上，做成螺線(xiàn)管（也叫線(xiàn)圈），各圈導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加在一起，磁場(chǎng)就會(huì)強(qiáng)很多”.

可以看出，編者的邏輯意圖是將手電筒視為單根導(dǎo)線(xiàn)，因其“勢(shì)單力薄”，產(chǎn)生的磁場(chǎng)自然較弱，其表現(xiàn)為“連一根大頭針都吸引不動(dòng)”.將很多導(dǎo)線(xiàn)共同產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加，磁場(chǎng)勢(shì)必要加強(qiáng)，所以導(dǎo)線(xiàn)做成螺線(xiàn)管“磁場(chǎng)就會(huì)強(qiáng)很多”.

雖然初中未涉及通電直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)弱與導(dǎo)線(xiàn)中電流大小以及距離導(dǎo)線(xiàn)遠(yuǎn)近的定量關(guān)系，但是，絕大多數(shù)學(xué)生可以正確“猜”出磁場(chǎng)強(qiáng)弱與導(dǎo)線(xiàn)中電流大小的定性關(guān)系——通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流越大，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁性便越強(qiáng).按照這樣的推理邏輯，學(xué)生自然會(huì)進(jìn)行類(lèi)比——如果通過(guò)手電筒的電流足夠大，它的磁性就會(huì)足夠強(qiáng)，手電筒也“能夠吸引大頭針”.

實(shí)際上，以上推理是錯(cuò)誤的.對(duì)于外殼是金屬材料，并用外殼作為連接電路導(dǎo)線(xiàn)的手電筒（手電筒是上個(gè)世紀(jì)六七十年代家庭必備電器，外殼大多為金屬材料），通過(guò)的電流再大，也不會(huì)“吸引”像大頭針之類(lèi)的磁性材料.我們不妨根據(jù)通電直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度的公式進(jìn)行定量分析.

圖1是有金屬外殼的手電筒的結(jié)構(gòu)示意圖.由于外殼是圓柱體的側(cè)面，我們可以用圖2所示的模型來(lái)表示手電筒通電時(shí)的情形——電流從圓柱體中軸線(xiàn)處電池的正極出發(fā)，至圓柱體的左底面中點(diǎn)（圓心處）時(shí)，向四周分成很多支路，到達(dá)側(cè)面與左底面的交界處，折轉(zhuǎn)90°沿圓柱體的側(cè)面向右流動(dòng)，再經(jīng)右底面折轉(zhuǎn)并聚合于右底面的圓心后，沿圓柱體的中軸線(xiàn)回到電池負(fù)極.

圖2中，先探究圓柱體側(cè)面電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的規(guī)律.由于對(duì)稱(chēng)，結(jié)合安培定則不難判斷，若圓柱體金屬筒無(wú)限長(zhǎng)，當(dāng)側(cè)面通入沿母線(xiàn)方向的均勻分布的電流時(shí)，其周?chē)臻g的磁感線(xiàn)與通電直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)臻g的磁感線(xiàn)類(lèi)似，為一組以圓柱體的中軸線(xiàn)上各點(diǎn)為圓心的同心圓，各圓面垂直于圓柱體的中軸線(xiàn)，圖2中僅畫(huà)出其中的一條磁感線(xiàn).

為便于分析，我們將手電筒的側(cè)面看作是由無(wú)數(shù)個(gè)平行的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)并列而成