論楞次定律教學中的磁荷理論與分子電流理論

阿不都克由木·吾吉阿不拉 周栩君 邢紅軍

(1. 和田師范專科學校，新疆 和田 848000; 2. 首都師范大學，北京 100048)

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論楞次定律教學中的磁荷理論與分子電流理論

阿不都克由木·吾吉阿不拉1周栩君2邢紅軍2

(1. 和田師范專科學校，新疆 和田 848000; 2. 首都師范大學，北京 100048)

眾所周知,初中學生學習右手螺旋定則時,便知可將通電螺線管看作條形磁鐵,了解了如何將電磁學中的有關問題進行等效．到了高中學習楞次定律時,教師常常利用上述結論,并結合磁極、磁感應線等概念對定律進行闡述與講解．然而,認真追究起來,卻發現教學中還存在著一些難以厘清的問題．基于此,本文由楞次定律教學中的佯謬出發,對磁荷理論與分子電流理論進行梳理,以期對中學物理的教學有所啟迪．

1 楞次定律教學中的佯謬

人教版高中物理教材通常采用圖1中的4幅圖對楞次定律進行分析,教材由磁通量的變化為切入點,分析感應電流的磁場,綜合實驗事實概括得到“感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化”,即楞次定律．

圖1

但是在大多數物理課堂中,教師往往會采用另一種方法——“等效法”,對該問題進行分析．如圖1,當條形磁鐵插入或拔出線圈時,線圈由于感生電流而具有磁性,因此可以將線圈看作條形磁鐵,并根據右手螺旋定則判斷出通電線圈的S極和N極．當磁鐵插入或拔出線圈時,條形磁鐵與通電螺線管之間產生磁力的作用,或為引力,或為斥力．

圖2

基于此,學生往往會產生兩種不同的觀點．第1種觀點,也就是中學常常提到的“來拒去留”．以圖2為例,當磁鐵的S極未插入線圈時,由于線圈具有磁性,根據右手螺旋定則可知,線圈上端為S極,下端為N極,磁鐵與線圈之間的作用力為斥力,磁力阻礙磁鐵的運動．第2種觀點認為,當磁鐵的S極插入線圈或磁鐵全部插入線圈內部時,磁鐵的S極與線圈的S極相互排斥,磁鐵的N極與線圈的S極相互吸引,此時磁鐵與線圈之間的相互作用又變為引力,磁力為運動的動力．也就是說,此過程不需要外力做功就可以產生感生電流,與能量守恒定律相違背．(如圖3)

由此,圖3中的現象就形成了楞次定律教學中的佯謬．由于教師往往無法對第2種觀點進行科學的解釋,這樣就會導致學生思維混亂,更遑論理解楞次定律．為什么會產生這樣的矛盾?根本原因還在于學生對磁性起源的兩種理論認識不夠深入,甚至完全不清楚兩種理論的來龍去脈與應用范圍．因此,在楞次定律的教學中,了解兩種理論的基本概念及適用條件就顯得尤為必要．

2 “磁荷”理論

人類對于磁現象的認識和研究開始于永磁體之間的相互作用,并將能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質稱為磁性,隨著對磁體、磁性的深入研究,對磁性起源的解釋逐漸形成了兩種觀點,而最早的一種觀點就是“磁荷”理論．

永磁體之間存在相互作用,或排斥,或吸引,這與兩種電荷之間的相互作用極其相似,于是,人們就將電荷的相關概念引入磁現象的研究之中．自然界中存在兩種電荷——正電荷與負電荷,由于電和磁的相似性,人們認為在磁的研究中同樣存在兩種磁荷,分布于磁棒的兩極,N極帶正磁荷+qm,S極帶負磁荷-qm,當磁極的幾何線度遠比它們之間的距離小時,稱磁極上的磁荷為點磁荷[1]．庫侖在得到點電荷之間的相互作用服從平方反比關系之后,直覺地感到磁極之間的相互作用力服從類似的關系,遂由實驗證明得到磁庫侖定律[2]為

∮LH·dl=0.

綜上所述,磁荷之間的相互作用服從磁庫侖定律,同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引,從而可以看出磁極的概念只有在“磁性起源于磁荷”的觀點中才有真實的意義[1]．同時,磁荷觀點中采用磁場強度H描述磁場的強弱,用磁力線(H線)形象描述磁場強度的分布．由于磁場為有源場,所以磁力線(H線)不閉合,它起于正磁荷止于負磁荷．所以,當把通電螺線管“等效”為條形磁鐵時,管內管外磁力線均起于N極,止于S極．

磁荷理論沒有找到磁單極和磁荷,更多地是將它當成一種理論假設,同時,雖然磁荷的觀點不能把電和磁統一起來,但是近代物理對磁單極的預言和研究使我們還不能輕易地認為磁荷是虛構的．[1]

3 “分子電流”理論

磁性起源的另一種觀點是“分子電流”理論．1820年,奧斯特的發現第一次揭示出電流能夠產生磁場,即電流可以對磁鐵施加作用力,從而開辟了一個全新的研究領域．后來,通過實驗,科學家們逐漸認識到螺線管和磁鐵之間存在一定的相似性,人們受到啟發提出“磁鐵和電流是否在本源上是一致的?”[2]

就此問題,安培提出了“分子電流”假說,他認為“在原子、分子等物質微粒的內部,存在著一種環形電流——分子電流,未磁化的鐵棒,內部分子電流的取向是雜亂無章的,它們的磁性相互抵消,對外不顯磁性．當受到外界磁場的作用時,各分子電流的取向變得大致相同,鐵棒被磁化,兩端對外界顯示出比較強的磁作用．[3]”

當然,在那個年代,“分子電流”理論僅僅是一個假說,因為人們并不了解原子的結構,因此不能解釋物質內部的分子環流是怎樣形成的．但是,隨著科學的不斷發展,我們已經清楚地知道,原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉的負電子組成的,電子不僅繞核旋轉,而且還有自旋．原子、分子等微觀粒子內電子的這些運動形成了“分子電流”,這便是物質磁性的基本來源．[2]由此可知,不論對于磁鐵還是導體中的電流,它們的本質都是電荷的運動,也就是運動的電荷之間存在磁相互作用．從而形成了“磁場是電流激發的”的觀點,該理論也將電和磁統一了起來．

與磁荷理論相對應,在“分子電流”理論中描述電流激發磁場的基本物理量是磁感應強度B,并且該理論認為磁場為無源場,且磁場力做功與路徑有關,即磁感應強度滿足

∮LB·dl=μ0∑I.

“分子電流”觀點采用磁感應強度B描述磁場的強弱,用磁感應線(B線)形象地描述磁場強弱的分布．需要指出的是,B線與H線不是同一種線．磁感應線(B線)是與電流環連的無頭無尾的閉合曲線,沒有端點．同時,磁場為無源場,不可能有“磁極”的概念．由此可知,中學物理提到有關磁極的概念,均屬于磁性起源于磁荷的觀點,而不是磁性起源于分子電流的觀點．

4 兩種理論的關系與應用

如前所述,“磁荷”理論與“分子電流”理論均可以獨立解釋磁現象,通常,兩種理論所得到的結果也相同．但還應該指出,兩者畢竟存在差異,所以在分析磁場問題的時候,只能選用兩種理論中的一種來進行解釋,而不能兩種理論混合使用,否者會使問題變得復雜而無法解決．

以楞次定律教學中的佯謬為例,螺線管由于通電而具有磁性,該現象為電生磁,屬于“分子電流”理論的范疇,應采用閉合的磁感應線(B線)對磁場進行描述,如圖4所示.

圖4

如果將通電螺線管等效為條形磁鐵,磁鐵兩端分別有正磁荷與負磁荷,形成N極與S極,這樣的等效方式屬于“磁荷”理論的范疇,應采用不閉合且起于正磁荷(N極),止于負磁荷(S極)的磁力線(H線)對磁場進行描述,如圖5所示.

圖5

對比圖4和圖5,可以發現,B線與H線存在一定的相同與不同之處．具體而言,在通電螺線管外部,B與H分布相同,B線與H線基本相似,也就是說磁荷產生的磁場與電流激發的磁場是等效的,兩種理論得到的結果相同;而在通電螺線管的內部,B線與H線方向完全相反,兩種理論就存在較大的差異．因此,之所以出現楞次定律中的佯謬,就是因為在分析過程中同時采用了“磁荷”理論與“分子電流”理論．具體而言,其關鍵之處就在于:在通電螺線管內部,B線、H線的方向是相反的．不清楚這一點,就會給出錯誤解釋．概括而言,由于這兩種理論并不同時適用于通電螺線管內部的磁場,所以才導致出現了錯誤的結果．

一般情況下,在電流的磁場中某區域利用等效磁荷觀點引入磁極的條件,是在該區域內的任意回路都不被傳導電流所鏈環,即該區域是沒有傳導電流分布的單通區域[1]．以通電螺線管為例,沒有傳導電流分布的單通區域,就是除去通電螺線管本身及其內部的區域,也就是通電螺線管的管外區域．換句話說,只有管外才能夠引入磁極的概念,才能進行進一步的分析．

綜上所述,將“磁荷”理論與“分子電流”理論進行對比,兩者關系如表1所示.

表1 磁荷理論與分子電流理論的對比

由表1可知,“磁荷”理論與“分子電流”理論無論是概念本身還是適用條件都存在一定的差異．為避免出現問題,最好不要將兩種理論結合使用．之所以有些學生認為,條形磁鐵插入線圈內部時,磁力為運動的動力,此過程不需要外力做功就可以產生感生電流,就是因為不了解兩種理論的概念與適用條件,將通電螺線管內部與外部混為一談,從而得到了違背能量守恒定律的錯誤結論．

當厘清了磁性起源的兩種理論后,教師在授課過程中就沒有必要刻意回避這一問題．當學生提出佯謬問題時,教師可向學生介紹磁極與磁荷的相關概念及適用條件,并根據通電螺線管內部磁感應線(B線)方向與條形磁鐵插入端的磁感應線(B線)的方向進行比較、分析,就可以得出正確結論．

1 黃永修.基礎物理專題分析[M].鄭州： 河南科學技術出版社,1993:300-303.

2 趙凱華,陳熙謀.電磁學[M].北京： 高等教育出版社,2003:82.

3 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心.高中物理選修3-1[M].北京:人民教育出版社,2007.

4 鄭其豐，黃晶.基于認知規律 打造高效課堂——“以楞次定律”第2課時教學為例[J].物理教師，2016(1)：13-16.

2017-02-22)