關于“筒狀磁鐵磁場方向”的探討

摘要：實驗表明筒狀磁鐵內部磁場方向與通電螺線管內部磁場方向完全相反。本文根據電磁學理論，系統介紹了鐵磁質磁化的微觀機制，并在此基礎上，對筒狀磁鐵內部磁場方向作了解釋。

關鍵詞：筒狀磁鐵；磁化；磁場方向

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0035-2

讀了《中學物理教學參考》2005年第3期張明元老師的《筒狀磁鐵的磁場方向的“悖論”》一文后深受感觸。張老師在教學過程中善于發現問題，善于運用實驗手段去研究問題，這值得大家學習。經實驗發現：筒狀磁鐵內部磁場方向與通電螺線管內部磁場方向完全相反，并對“筒狀磁鐵內部磁場方向”的解釋深感困惑。對此，筆者想借貴刊一角發表一些粗淺的看法。敬請諸位同仁斧正。

眾所周知，在靜止電荷的周圍存在著電場，若電荷運動則其周圍不僅有電場而且還有磁場。即運動電荷或電流，在其周圍空間產生磁場。所以一切磁現象的根源都在于電流——電荷的運動。筆者認為，該文把筒狀磁鐵的磁場與通電螺線管的磁場混為一談。盡管它們產生的“微觀”機理都在于電荷的運動，但是，它們產生磁場的“宏觀”機理卻略有不同。

對通電螺線管來說，組成通電螺線管的各匝線圈可以看作一個個圓形導線，載流直螺線管在某點所產生的磁場，相當于各匝圓線圈在該點所產生的磁場的疊加。載流圓導線周圍磁感線的分

布情況如圖1所示，圓心O點處磁感應強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，可以得出一個重要的結論：任何磁場的磁感線與通電螺線管的一樣，無頭無尾，磁場是渦旋場。即我們常說的：在通電螺線管的外部，磁感線是由北極出來，回到南極；在內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。

對筒狀磁鐵而言，根據鐵磁體磁化特性可作如下解釋：任何物質都是由分子或原子組成的。而分子或原子中任何一個電子都同時參與兩種運動，即環繞原子核的運動和電子本身的自旋，這兩種運動都能產生磁效應。把分子或原子看作一個整體，分子或原子中各個電子對外界所產生的磁效應的總和，可用一個等效的圓電流表示，稱為分子電流。這種分子電流具有一定的磁矩，即分子磁矩。在鐵磁質中，相鄰原子間存在著非常強的交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成一個自發磁化飽和狀態區域，這些微小區域稱為磁疇。在沒有外磁場作用時，在每個磁疇中，原子的分子磁矩均取向同一方向，但對不同的磁疇，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定狀態。因此，對整個鐵磁體來說，宏觀區域的平均磁矩為零，物體不顯示磁性。當外磁場作用時，由于磁矩與外磁場同方向排列時的磁能低于反向排列時的磁能，結果那些自發磁化磁矩和外磁場成小角度的磁疇處于有利地位，其體積逐漸擴大；而自發磁化磁矩和外磁場成較大角度的磁疇體積逐漸縮小，最終所有磁疇沿外磁場方向整齊排列。當然磁疇體積擴張并不是逐漸地進行的，而是在外磁場達到一定強度時突然發生。這就反映了鐵磁體磁化過程的不可逆性，具體表現為磁滯現象。同時，各個磁疇還受到阻礙它們轉向的摩擦阻力，因而在外磁場停止作用后，磁疇的某種排列被保留下來，使磁體留有部分磁性，表現為磁現象，如圖4所示。總之，鐵磁質內磁疇的存在是鐵磁體磁化特性的內在根據。

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

總之，筒狀磁鐵的磁場相當于許多條形磁鐵疊加而成的磁場，其磁感線是由金屬筒壁內部與筒壁之外的空間構成的閉合曲線，是渦旋狀的。而通電螺線管的磁場相當于若干個圓線圈所產生的磁場的疊加。因此，決不能將筒狀磁鐵圓筒之內的空間與載流直螺線管的管內空間混為一談。這就是它們在宏觀機理上存在的差異。

參考文獻：

趙凱華，陳熙謀.電磁學［M］.北京：高等教育出版社，2003.4

（欄目編輯 羅琬華）