关于“筒状磁铁磁场方向”的探讨

摘要：实验表明筒状磁铁内部磁场方向与通电螺线管内部磁场方向完全相反。本文根据电磁学理论，系统介绍了铁磁质磁化的微观机制，并在此基础上，对筒状磁铁内部磁场方向作了解释。

关键词：筒状磁铁；磁化；磁场方向

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1003-6148(2008)1(S)-0035-2

读了《中学物理教学参考》2005年第3期张明元老师的《筒状磁铁的磁场方向的“悖论”》一文后深受感触。张老师在教学过程中善于发现问题，善于运用实验手段去研究问题，这值得大家学习。经实验发现：筒状磁铁内部磁场方向与通电螺线管内部磁场方向完全相反，并对“筒状磁铁内部磁场方向”的解释深感困惑。对此，笔者想借贵刊一角发表一些粗浅的看法。敬请诸位同仁斧正。

众所周知，在静止电荷的周围存在着电场，若电荷运动则其周围不仅有电场而且还有磁场。即运动电荷或电流，在其周围空间产生磁场。所以一切磁现象的根源都在于电流――电荷的运动。笔者认为，该文把筒状磁铁的磁场与通电螺线管的磁场混为一谈。尽管它们产生的“微观”机理都在于电荷的运动，但是，它们产生磁场的“宏观”机理却略有不同。

对通电螺线管来说，组成通电螺线管的各匝线圈可以看作一个个圆形导线，载流直螺线管在某点所产生的磁场，相当于各匝圆线圈在该点所产生的磁场的叠加。载流圆导线周围磁感线的分

布情况如图1所示，圆心O点处磁感应强度的方向垂直圆平面指向纸外。螺线管电流的磁感线分布如图2所示，从图示中，可以得出一个重要的结论：任何磁场的磁感线与通电螺线管的一样，无头无尾，磁场是涡旋场。即我们常说的：在通电螺线管的外部，磁感线是由北极出来，回到南极；在内部磁感线方向是由南极指向北极，并和外部磁感线相连，形成闭合曲线。

对筒状磁铁而言，根据铁磁体磁化特性可作如下解释：任何物质都是由分子或原子组成的。而分子或原子中任何一个电子都同时参与两种运动，即环绕原子核的运动和电子本身的自旋，这两种运动都能产生磁效应。把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生的磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，称为分子电流。这种分子电流具有一定的磁矩，即分子磁矩。在铁磁质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列，形成一个自发磁化饱和状态区域，这些微小区域称为磁畴。在没有外磁场作用时，在每个磁畴中，原子的分子磁矩均取向同一方向，但对不同的磁畴，其分子磁矩的取向各不相同，如图3所示。磁畴的这种排列方式，使磁体处于能量最小的稳定状态。因此，对整个铁磁体来说，宏观区域的平均磁矩为零，物体不显示磁性。当外磁场作用时，由于磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于反向排列时的磁能，结果那些自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，其体积逐渐扩大；而自发磁化磁矩和外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小，最终所有磁畴沿外磁场方向整齐排列。当然磁畴体积扩张并不是逐渐地进行的，而是在外磁场达到一定强度时突然发生。这就反映了铁磁体磁化过程的不可逆性，具体表现为磁滞现象。同时，各个磁畴还受到阻碍它们转向的摩擦阻力，因而在外磁场停止作用后，磁畴的某种排列被保留下来，使磁体留有部分磁性，表现为磁现象，如图4所示。总之，铁磁质内磁畴的存在是铁磁体磁化特性的内在根据。

鉴于上述认识，当金属筒状物体被磁化成为筒状磁铁，其金属筒壁内部所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，筒壁内部的磁场方向与外磁场方向取向一致。不论筒壁有多厚或有多薄，只要圆筒的内径不为零，除金属筒壁本身之外的一切空间均应视作磁体的外部，包括圆筒内部的空间不也是筒壁的外部吗？现不妨将筒壁沿筒壁方向进行无限分割，每一微元相当于一个条形磁铁，其磁感线分布大家十分清楚：遵循涡旋场理论。这些微元磁铁的磁场叠加起来便是筒状磁铁的磁场，其磁感线分布如图5所示。当内径趋近于零时，筒状磁铁逐渐变成了条形磁铁，这也完全与事实吻合。

总之，筒状磁铁的磁场相当于许多条形磁铁叠加而成的磁场，其磁感线是由金属筒壁内部与筒壁之外的空间构成的闭合曲线，是涡旋状的。而通电螺线管的磁场相当于若干个圆线圈所产生的磁场的叠加。因此，决不能将筒状磁铁圆筒之内的空间与载流直螺线管的管内空间混为一谈。这就是它们在宏观机理上存在的差异。

参考文献：

赵凯华，陈熙谋.电磁学［M］.北京：高等教育出版社，2003.4