小磁针N极受力真的指向磁场方向吗?
小磁针N极受力真的指向磁场方向吗？
沈文炳 湖北省鄂南高级中学，湖北 咸宁（437100）[email protected]
人民教育出版社出版的高中物理教材第二册（必修加选修）第170页对磁场的方向有如下的描述：“物理学规定，在磁场中的任意一点，小磁针北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向。”在人民教育出版社编的新课标物理教材选修3-1第70页中也有类似的描述：“小磁针总有两个磁极，它在磁场中受力后，一般情况下将会转动。小磁针静止后，它的指向也就确定了，显示出这一点的磁场对小磁针N极和S极作用力的方向。„„”也就是说两种课本都认为小磁针静止时N极受到沿磁场方向的磁场力，而S极受到和磁场方向相反的作用力。笔者认为这种说法是不妥当，小磁针N、S极在磁场中根本不受沿磁场方向和逆磁场方向的磁场力。小磁针在磁场中转动和静止的真正原因应该用磁力矩来解释。
我们知道小磁针可以简化为一个小的条形磁铁，而条形磁铁的磁场和通电螺线管的磁场很相似，通电螺线管是由多个通电圆环组成的。另一方面，根据安培的分子电流假设，小磁针的N、S极是由于内部的分子电流取向变得大致相同的宏观表现。也就是说，小磁针可以看作由n匝相同的通电轻质线圈组成。要理解小磁针在磁场中的受力和转动，只需要先分析一个通电轻质环形线圈在匀强磁场中的受力和转动。
图3 图1图2
如图1所示，为匀强磁场中一通电轻质圆环形线圈。匀强磁场的磁感应强度为B。圆环的圆心为O，面积为S，恒定电流为I。为讨论方便，先规定线圈平面的法线方向如下：使
ˆ。右手四指半握拳而拇指伸直，当四指方向与电流流向一致时，拇指的方向就是法线方向n
线圈的法线方向和通电线圈的N极一致。图中法线和磁感应强度B的夹角为θ。根据梁灿彬等编写的《电磁学》相关内容及左手定则可知，线圈上关于O点对称的两个电流元受到的磁场力大小相等，方向相反且与磁感线垂直。线圈在匀强磁场中所受合力始终为零，但受到一个力偶矩的作用，力偶矩T=ISBsinθ。如图2所示，当θ=0时，线圈垂直磁场，线圈的N极指向磁场的方向。此时T=0，线圈上各点的电流元所受磁场力方向沿半径向外，合力为零，线圈处于稳定平衡状态。如图3所示，当θ=π时，也满足线圈垂直磁场，线圈的S极指向磁场方向。此时T=0，线圈上各点的电流元所受磁场力方向沿半径向内，合力为零，但线圈处于不稳定平衡状态，受到扰动就会转动。当0
通过对通电圆环形轻质线圈在匀强磁场中的受力和转动的分析，就明白了小磁针在磁场中转动是因为磁力矩的作用，静止时N极指向磁场的方向。小磁针N极根本不会受到沿磁场方向的作用力，S极也不会受到和磁场方向相反方向的作用力。