论楞次定律教学中的磁荷理论与分子电流理论

阿不都克由木·吾吉阿不拉 周栩君 邢红军

(1. 和田师范专科学校，新疆 和田 848000; 2. 首都师范大学，北京 100048)



论楞次定律教学中的磁荷理论与分子电流理论

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(1. 和田师范专科学校，新疆 和田 848000; 2. 首都师范大学，北京 100048)

众所周知,初中学生学习右手螺旋定则时,便知可将通电螺线管看作条形磁铁,了解了如何将电磁学中的有关问题进行等效．到了高中学习楞次定律时,教师常常利用上述结论,并结合磁极、磁感应线等概念对定律进行阐述与讲解．然而,认真追究起来,却发现教学中还存在着一些难以厘清的问题．基于此,本文由楞次定律教学中的佯谬出发,对磁荷理论与分子电流理论进行梳理,以期对中学物理的教学有所启迪．

1 楞次定律教学中的佯谬

人教版高中物理教材通常采用图1中的4幅图对楞次定律进行分析,教材由磁通量的变化为切入点,分析感应电流的磁场,综合实验事实概括得到“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”,即楞次定律．

图1

但是在大多数物理课堂中,教师往往会采用另一种方法——“等效法”,对该问题进行分析．如图1,当条形磁铁插入或拔出线圈时,线圈由于感生电流而具有磁性,因此可以将线圈看作条形磁铁,并根据右手螺旋定则判断出通电线圈的S极和N极．当磁铁插入或拔出线圈时,条形磁铁与通电螺线管之间产生磁力的作用,或为引力,或为斥力．

图2

基于此,学生往往会产生两种不同的观点．第1种观点,也就是中学常常提到的“来拒去留”．以图2为例,当磁铁的S极未插入线圈时,由于线圈具有磁性,根据右手螺旋定则可知,线圈上端为S极,下端为N极,磁铁与线圈之间的作用力为斥力,磁力阻碍磁铁的运动．第2种观点认为,当磁铁的S极插入线圈或磁铁全部插入线圈内部时,磁铁的S极与线圈的S极相互排斥,磁铁的N极与线圈的S极相互吸引,此时磁铁与线圈之间的相互作用又变为引力,磁力为运动的动力．也就是说,此过程不需要外力做功就可以产生感生电流,与能量守恒定律相违背．(如图3)

由此,图3中的现象就形成了楞次定律教学中的佯谬．由于教师往往无法对第2种观点进行科学的解释,这样就会导致学生思维混乱,更遑论理解楞次定律．为什么会产生这样的矛盾?根本原因还在于学生对磁性起源的两种理论认识不够深入,甚至完全不清楚两种理论的来龙去脉与应用范围．因此,在楞次定律的教学中,了解两种理论的基本概念及适用条件就显得尤为必要．

2 “磁荷”理论

人类对于磁现象的认识和研究开始于永磁体之间的相互作用,并将能够吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性,随着对磁体、磁性的深入研究,对磁性起源的解释逐渐形成了两种观点,而最早的一种观点就是“磁荷”理论．

永磁体之间存在相互作用,或排斥,或吸引,这与两种电荷之间的相互作用极其相似,于是,人们就将电荷的相关概念引入磁现象的研究之中．自然界中存在两种电荷——正电荷与负电荷,由于电和磁的相似性,人们认为在磁的研究中同样存在两种磁荷,分布于磁棒的两极,N极带正磁荷+qm,S极带负磁荷-qm,当磁极的几何线度远比它们之间的距离小时,称磁极上的磁荷为点磁荷[1]．库仑在得到点电荷之间的相互作用服从平方反比关系之后,直觉地感到磁极之间的相互作用力服从类似的关系,遂由实验证明得到磁库仑定律[2]为

∮LH·dl=0.

综上所述,磁荷之间的相互作用服从磁库仑定律,同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,从而可以看出磁极的概念只有在“磁性起源于磁荷”的观点中才有真实的意义[1]．同时,磁荷观点中采用磁场强度H描述磁场的强弱,用磁力线(H线)形象描述磁场强度的分布．由于磁场为有源场,所以磁力线(H线)不闭合,它起于正磁荷止于负磁荷．所以,当把通电螺线管“等效”为条形磁铁时,管内管外磁力线均起于N极,止于S极．

磁荷理论没有找到磁单极和磁荷,更多地是将它当成一种理论假设,同时,虽然磁荷的观点不能把电和磁统一起来,但是近代物理对磁单极的预言和研究使我们还不能轻易地认为磁荷是虚构的．[1]

3 “分子电流”理论

磁性起源的另一种观点是“分子电流”理论．1820年,奥斯特的发现第一次揭示出电流能够产生磁场,即电流可以对磁铁施加作用力,从而开辟了一个全新的研究领域．后来,通过实验,科学家们逐渐认识到螺线管和磁铁之间存在一定的相似性,人们受到启发提出“磁铁和电流是否在本源上是一致的?”[2]

就此问题,安培提出了“分子电流”假说,他认为“在原子、分子等物质微粒的内部,存在着一种环形电流——分子电流,未磁化的铁棒,内部分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁性相互抵消,对外不显磁性．当受到外界磁场的作用时,各分子电流的取向变得大致相同,铁棒被磁化,两端对外界显示出比较强的磁作用．[3]”

当然,在那个年代,“分子电流”理论仅仅是一个假说,因为人们并不了解原子的结构,因此不能解释物质内部的分子环流是怎样形成的．但是,随着科学的不断发展,我们已经清楚地知道,原子是由带正电的原子核和绕核旋转的负电子组成的,电子不仅绕核旋转,而且还有自旋．原子、分子等微观粒子内电子的这些运动形成了“分子电流”,这便是物质磁性的基本来源．[2]由此可知,不论对于磁铁还是导体中的电流,它们的本质都是电荷的运动,也就是运动的电荷之间存在磁相互作用．从而形成了“磁场是电流激发的”的观点,该理论也将电和磁统一了起来．

与磁荷理论相对应,在“分子电流”理论中描述电流激发磁场的基本物理量是磁感应强度B,并且该理论认为磁场为无源场,且磁场力做功与路径有关,即磁感应强度满足

∮LB·dl=μ0∑I.

“分子电流”观点采用磁感应强度B描述磁场的强弱,用磁感应线(B线)形象地描述磁场强弱的分布．需要指出的是,B线与H线不是同一种线．磁感应线(B线)是与电流环连的无头无尾的闭合曲线,没有端点．同时,磁场为无源场,不可能有“磁极”的概念．由此可知,中学物理提到有关磁极的概念,均属于磁性起源于磁荷的观点,而不是磁性起源于分子电流的观点．

4 两种理论的关系与应用

如前所述,“磁荷”理论与“分子电流”理论均可以独立解释磁现象,通常,两种理论所得到的结果也相同．但还应该指出,两者毕竟存在差异,所以在分析磁场问题的时候,只能选用两种理论中的一种来进行解释,而不能两种理论混合使用,否者会使问题变得复杂而无法解决．

以楞次定律教学中的佯谬为例,螺线管由于通电而具有磁性,该现象为电生磁,属于“分子电流”理论的范畴,应采用闭合的磁感应线(B线)对磁场进行描述,如图4所示.

图4

如果将通电螺线管等效为条形磁铁,磁铁两端分别有正磁荷与负磁荷,形成N极与S极,这样的等效方式属于“磁荷”理论的范畴,应采用不闭合且起于正磁荷(N极),止于负磁荷(S极)的磁力线(H线)对磁场进行描述,如图5所示.

图5

对比图4和图5,可以发现,B线与H线存在一定的相同与不同之处．具体而言,在通电螺线管外部,B与H分布相同,B线与H线基本相似,也就是说磁荷产生的磁场与电流激发的磁场是等效的,两种理论得到的结果相同;而在通电螺线管的内部,B线与H线方向完全相反,两种理论就存在较大的差异．因此,之所以出现楞次定律中的佯谬,就是因为在分析过程中同时采用了“磁荷”理论与“分子电流”理论．具体而言,其关键之处就在于:在通电螺线管内部,B线、H线的方向是相反的．不清楚这一点,就会给出错误解释．概括而言,由于这两种理论并不同时适用于通电螺线管内部的磁场,所以才导致出现了错误的结果．

一般情况下,在电流的磁场中某区域利用等效磁荷观点引入磁极的条件,是在该区域内的任意回路都不被传导电流所链环,即该区域是没有传导电流分布的单通区域[1]．以通电螺线管为例,没有传导电流分布的单通区域,就是除去通电螺线管本身及其内部的区域,也就是通电螺线管的管外区域．换句话说,只有管外才能够引入磁极的概念,才能进行进一步的分析．

综上所述,将“磁荷”理论与“分子电流”理论进行对比,两者关系如表1所示.

表1 磁荷理论与分子电流理论的对比

由表1可知,“磁荷”理论与“分子电流”理论无论是概念本身还是适用条件都存在一定的差异．为避免出现问题,最好不要将两种理论结合使用．之所以有些学生认为,条形磁铁插入线圈内部时,磁力为运动的动力,此过程不需要外力做功就可以产生感生电流,就是因为不了解两种理论的概念与适用条件,将通电螺线管内部与外部混为一谈,从而得到了违背能量守恒定律的错误结论．

当厘清了磁性起源的两种理论后,教师在授课过程中就没有必要刻意回避这一问题．当学生提出佯谬问题时,教师可向学生介绍磁极与磁荷的相关概念及适用条件,并根据通电螺线管内部磁感应线(B线)方向与条形磁铁插入端的磁感应线(B线)的方向进行比较、分析,就可以得出正确结论．

1 黄永修.基础物理专题分析[M].郑州： 河南科学技术出版社,1993:300-303.

2 赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].北京： 高等教育出版社,2003:82.

3 人民教育出版社课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.高中物理选修3-1[M].北京:人民教育出版社,2007.

4 郑其丰，黄晶.基于认知规律 打造高效课堂——“以楞次定律”第2课时教学为例[J].物理教师，2016(1)：13-16.

2017-02-22)