手電筒通電時吸引不動大頭針是因為磁場太弱嗎

摘?要：本文根據通電直導線周圍的磁感應強度計算公式，用邏輯推理的方法證明，外殼是金屬材料的手電筒無論通入的電流大或小，產生的磁場強或弱，手電筒的外殼都不會吸引包括大頭針在內的所有磁性材料，從而說明教科書中關于手電筒磁性論斷內容不妥的原因.

關鍵詞：手電筒;磁性材料;磁感應強度;吸引

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

人教版義務教育教科書九年級（全一冊）第20章內容為電與磁，本章第2節的標題為“電生磁”，教科書分別介紹了通電直導線周圍的磁場規律和通電螺線管周圍的磁場規律.在介紹完通電直導線周圍的磁場規律，定義了電流的磁效應之后，為了引入螺線管，課本插入如下一段內容：

“既然電能生磁，為什么手電筒在通電時連一根大頭針都吸引不動？這是因為它的磁場太弱了.如果把導線繞在圓筒上，做成螺線管（也叫線圈），各圈導線產生的磁場疊加在一起，磁場就會強很多”.

可以看出，編者的邏輯意圖是將手電筒視為單根導線，因其“勢單力薄”，產生的磁場自然較弱，其表現為“連一根大頭針都吸引不動”.將很多導線共同產生的磁場疊加，磁場勢必要加強，所以導線做成螺線管“磁場就會強很多”.

雖然初中未涉及通電直導線周圍的磁場強弱與導線中電流大小以及距離導線遠近的定量關系，但是，絕大多數學生可以正確“猜”出磁場強弱與導線中電流大小的定性關系——通過導線的電流越大，電流產生磁場的磁性便越強.按照這樣的推理邏輯，學生自然會進行類比——如果通過手電筒的電流足夠大，它的磁性就會足夠強，手電筒也“能夠吸引大頭針”.

實際上，以上推理是錯誤的.對于外殼是金屬材料，并用外殼作為連接電路導線的手電筒（手電筒是上個世紀六七十年代家庭必備電器，外殼大多為金屬材料），通過的電流再大，也不會“吸引”像大頭針之類的磁性材料.我們不妨根據通電直導線周圍磁感應強度的公式進行定量分析.

圖1是有金屬外殼的手電筒的結構示意圖.由于外殼是圓柱體的側面，我們可以用圖2所示的模型來表示手電筒通電時的情形——電流從圓柱體中軸線處電池的正極出發，至圓柱體的左底面中點（圓心處）時，向四周分成很多支路，到達側面與左底面的交界處，折轉90°沿圓柱體的側面向右流動，再經右底面折轉并聚合于右底面的圓心后，沿圓柱體的中軸線回到電池負極.

圖2中，先探究圓柱體側面電流產生磁場的規律.由于對稱，結合安培定則不難判斷，若圓柱體金屬筒無限長，當側面通入沿母線方向的均勻分布的電流時，其周圍空間的磁感線與通電直導線周圍空間的磁感線類似，為一組以圓柱體的中軸線上各點為圓心的同心圓，各圓面垂直于圓柱體的中軸線，圖2中僅畫出其中的一條磁感線.

為便于分析，我們將手電筒的側面看作是由無數個平行的細導線并列而成