激發磁場與環流磁場

摘要：本文通過對電生磁的分析，證明了電流環只在與兩個端平面所圍成的內部空間激發磁場，不在外部空間激發磁場。N個電流相同的電流環串聯到一起就是電流為NI的螺線管，與電流為NI的圓電流等價。

關鍵詞：電流環 ?閉合磁路 ?激發磁場 ?環流磁場

引言

本人認為：大學的《普通物理》教材和《電磁學》教材中，普遍把環流磁場混淆為激發磁場，從而導致了人們對 螺線管內部激發磁場與外部環流磁場認識上混亂。現在應該正本清源，看看電流環到底在哪里激發磁場？

1、磁生電的啟示

我們知道：磁通變化不是隨便在任何地方都能激發電流。磁通變化在發電機的轉子中激發電流，輸電線路中的電流是由發電機輸出的電流。激發電流離開轉子就是輸出電流。輸出電流就不是磁通變化在輸電線路中新激發的電流。人們都清楚發電機中的磁通變化不會不通過輸電線路直接把遠方的燈泡激亮。同理，電流環也存在激發磁場和環流磁場這樣兩種緊密相連卻又意義不同的磁場。

2、激發磁場與環流磁場的特性

如果說電流環在外部場點能激發磁場。那么，按照右手定則（彎曲的四指代表電流環繞方向，伸直的拇指代表磁場方向）先按照教材假設在右端面等效N極以外軸線上的場點P處激發磁場。場點P處就會像泉眼一樣源源不斷地激發磁場，并且說明場點P處的磁場不是從等效N極流出來的。那么請問：電流環的等效N極還能在右端面嗎？那么等效N極到底應該在哪里？能在無窮遠處嗎？顯然，假設電流環在外部場點P處激發磁場就會矛盾重重，就會違背電磁鐵與永磁鐵的相似性。另外，當有磁路連接電流環外部的等效N極和等效S極時，在場點P處就沒有磁場啦！而且，一是磁路不經過場點P處;二是磁路的外表面光滑幾乎沒有磁性。即便磁路吸收磁場，也只是解決磁場方向問題，一定會留下泉眼。為什么場點P處的這個泉眼就枯竭啦？為什么電流環中的電流元就不能在場點P處激發磁場啦？這些矛盾只能說明原來場點P處的磁場不是激發磁場，而是從等效N極流出的環流磁場。所以電流環只能在兩個端平面的內部空間激發磁場 。

我們可以通過不同的路徑即不同的磁路（包括大小不等的不閉合的矩形、圓形、橢圓形等各種磁路）連接電流環外部的等效N極和等效S極，就會使彌散在外部空間的環流磁場全部沿著磁路由等效N極流向等效S極。這就說明電流環外部空間 的環流磁場分布是可以改變的，可以從有到無。內部場點的激發磁場不會像外部場點的環流磁場那樣說沒就沒了。不同磁路能夠改變外部場點的環流磁場分布，卻無法改變電流環在內部場點激發磁場的形態。無論是利用非閉合磁路從電流環外部連接等效N極和等效S極，還是把電流環外面套上軟鐵管，都無法改變電流環在其內部空間激發磁場。 如果，一個載流螺線管只是內部有軟鐵芯，這個軟鐵芯就無法把彌散在外部空間的環流磁感應線全部集中到自己內部。只有在螺線管外部連接等效N極和等效S極的磁路，才能把彌散在外部空間的環流磁感應線全部集中到自己內部。任何一個由螺線管軟鐵芯構成的閉合磁路，都可以把彌散在外部空間的磁感應線全部集中到自己內部（問題的實質是：有了磁路，從等效N極噴出的環流磁場就直接沿著磁路流向等效S極，就不會彌散到磁路以外空間了。此時，電流環的外部空間只有磁路中分布環流磁場，其它場點就沒有環流磁場分布）。由此可見，電流環不是在什么地方都能激發磁場。電流環只能在與兩個端平面所圍成的內部空間激發磁場 ，不在外部空間激發磁場。

3、電流環與螺線管

因為，每個電流環就是一個小電磁鐵。N個相同的電流環按照右手定則串聯在一起，就是螺線管。螺線管也是一個電磁鐵。如果把每個電流為I的電流環串聯到一起，就是電流為NI的螺線管。為什么能說電流為NI的螺線管呢？因為電流是標量，不是矢量，故它們滿足代數疊加。代數疊加的結果說明螺線管等價于一個電流為NI的電流環。故螺線管內部軸線磁場B≡ NI/2R。顯然，螺線管內部軸線磁場隨N的增加而增加是發散的。 《電磁學》P156頁指出：“如果回路不是單匝線框而是多匝線圈，那么當磁通量變化時，每匝中都將產生感應電動勢。由于匝與匝之間是互相串聯的，整個線圈的總電動勢就等于各匝所產生的電動勢之和。…如果穿過每匝線圈的磁通量相同，均為φ，則Ψ=Nφ”。這里沒有說在外部場點激發磁場和磁通量。

可見，全磁通原理特別突出了在串聯結構中每匝導線的獨立性。顯然，螺線管就是多匝線圈。而且，匝與匝之間也是互相串聯的。螺線管這種線圈的全磁通是對線圈總匝數N的代數疊加，實質上也是電流滿足代數疊加。因為，電流是標量不是矢量，故滿足代數疊加。Ψ=NΦ= ，得出NB即為N匝串聯線圈所激發的總磁感應強度，其中B為每匝線圈獨立時的磁感應強度。顯然，NΦ和NB都隨N的增加而增加，是發散的。實踐是檢驗真理的唯一標準。“螺線管等多匝線圈的全磁通和電動勢是對線圈總匝數N的代數疊加”，這個結論，是法拉第偉大物理學家從大量的實驗中總結出來的客觀規律。這個結論是經過實踐檢驗的客觀真理。

4、小結

綜上所述，電流環的電流只在 兩個端平面所圍成的內部空間激發磁場。兩個端平面以外的磁場是環流磁場。大學的《普通物理》教材和《電磁學》教材普遍認為“電流環與載流直導線一樣，也是在電流的周圍空間激發磁場”。這種認識是完全錯誤的。

參考文獻

[1]電磁學/趙凱華，陳熙謀，——北京：高等教育出版社2003.4（2005重?。?）P156頁

[2]《科學與生活》2021年第18期 第5頁《電磁實驗是檢驗閉合回路激發磁場定律的唯一標準》

作者簡介：姓名：朱昱昌。出生年月1948年3月6日。性別：男。漢族。籍貫吉林省梨樹縣。學歷：齊齊哈爾師范學院數學系畢業。研究方向：電磁學理論