物理实验教学中关于电磁体和永磁体的讨论

物理实验教学中关于电磁体和永磁体的讨论

张拔伟

惠州市东江高级中学  广东  惠州  516003

摘要：电磁现象是初中物理和高中物理教学中的一个重要部分，初中主要是电磁继电器的知识，高中主要是电磁感应的相关知识。本文主要探讨在实验中电磁铁和永磁体的相互作用，进而探讨它们之间涉及到的物理原理。

关键词：电磁体；永磁体；电磁感应；磁体；非磁体；原副线圈

    电磁感应知识是高中物理的一个重难点，高中教学所涉及的电磁知识主要是法拉第电磁感应定律以及其衍生出来的一系列定理。法拉第为了研究电磁现象，围绕电与磁的关系做了大量的实验，得出很多规律。法拉第做的实验研究了电流、磁场的关系，但是没有得出电磁现象中电场磁场相互影响进而表现在电流上的具体规律。而麦克斯韦在总结、归纳法拉第的一系列实验规律的过程中，做出位移电流的假说，运用高超的数学能力，得出了麦克斯韦方程组，这一方程组对电磁现象做出了近乎完美的数学上的解释。其中最让人震惊的是他得出了变化的磁场也会产生电场的论断，进一步预言了电磁波的存在，而后由赫兹通过实验证明了。有了这些伟大科学家的理论铺垫，电磁学在19世纪末到现在，得到了快速发展，造福于人类社会。

在高中电磁感应的知识章节中，我们常见到原副线圈这个仪器，这个仪器的原理是在原线圈中放入副线圈，副线圈中再加入铁芯，然后在原线圈中通入电流，由于磁通量的变化，副线圈也会产生电流。

笔者在实验室准备电磁学实验的时候，想测试电磁铁的磁性，于是将原副线圈中的副线圈取出，然后用可调电压电源接通线圈，此时，线圈就相当于一个电磁铁，然后用电磁铁去吸引铁球测试其磁性，当电压增大时，电磁铁的磁性也增强。而此时，笔者想到，既然电磁铁通电后有磁性，那它对实验室的条形磁铁是不是也可以产生作用呢？于是便拿到实验室的条形磁铁进行测试，果然电磁铁很快就将条形磁铁吸引在一起，而当笔者尝试将条形磁铁反过来（N极和S极对调），看电磁铁能否对条形磁铁产生斥力的时候，发现电磁铁还是跟条形磁铁吸引在一起；于是笔者就尝试将可调电源的正负极调换，发现电磁铁对条形磁铁也是表现为吸引力。

这似乎与我们平时对于磁铁的印象相违背，平时我们进行教学时讨论到两个磁体之间的相互作用，总是说“同性相斥，异性相斥”。这个口诀似乎在这里已经不适用了，因为按照这个口诀来说的话，条形磁铁的极性调换以后，电磁铁会对其产生不同方向的力。

显然，肯定是我们分析的时候出错了，电磁铁并不能简单地看成是一个永磁体，它必然有和永磁体不一样的物理性质。

笔者通过查阅电磁学相关知识，对于物体的磁现象有了进一步的理解，下面我们来讨论一下这种物理现象涉及的几个问题：

1.磁体与非磁体的物理学原理

为什么有些物质带磁性，有些物质不带磁性？原因在于各种物质分子电流不同。如果分子电流方向是杂乱无章的，那么大量的分子电流产生的磁场是随机的，相互抵消后表现为非磁性；如果物质分子电流方向具有一致性，产生的磁场也是一致的，所以对外表现为强磁性。

2.电磁铁为什么带磁性

通电线圈电流会产生磁场，这是由于电流周围会存在磁场。那么在线圈中的磁场方向可以根据右手定则来判定。而在通电线圈中是存在物质的，所有的物质在磁场中的特性不同，可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性物质。各种物质磁导率不同，所以电磁铁所带磁性的大小是由通电电流和线圈中的物质共同决定的。

3.为什么线圈里面加入铁芯以后可以会让磁性增加

线圈里面如果没有加入铁芯，那么线圈里面的物质就是空气，空气的磁导率是比较低的，也就是说线圈中电流产生的磁场在线圈中会损耗很大，在边缘上会变得很小。但是如果放入铁芯，铁芯是属于铁磁性物质，磁导率很高，磁场没有损耗，那么在线圈边缘的磁场就会变得很大。

有了以上理论分析，下面我们来看一下用电磁铁去靠近磁铁会发生什么呢？

我们将铁芯作为研究对象，那么它受到了线圈和永磁体的共同影响，线圈和永磁体都会产生磁场，在磁场的作用下，铁芯会被磁化。那么这时如何判断铁芯的N极和S极呢？永磁体的磁场方向和大小是固定的，我们假定其左端为S极，右端为N极，那么其靠近铁芯时，铁芯处于自左向右的磁场中，此时，我们给线圈通电，如果线圈产生的也是自左而右的磁场，此时，由于磁场叠加，铁芯的磁化更为明显，永磁体和铁芯将吸引在一起；那如果线圈产生自右向左的磁场，此时线圈产生的磁场和永磁体在铁芯产生的磁场会相互抵消，但是只有当线圈产生的磁场大于永磁体产生的磁场的时候，铁芯磁极方向才会与永磁体相反，才会产生斥力。

通过以上讨论，我们可以得出有两种方法可以使电磁体对永磁体产生排斥反应：

1.加大线圈产生的磁场

为了加大线圈产生的磁场，我们可以在铁芯上绕上更多的漆包线，通过绕上更多的漆包线，我们发现随着线圈匝数的增加，线圈产生的用来对抗永磁体磁场的感应磁场也随之增加，最终，电磁铁对永磁体产生了斥力。

2.降低永磁体的磁性

笔者找来了不同磁性的永磁体，在电磁铁通电的情况下去靠近电磁体。发现磁性不同时，电磁铁对其的力作用也不同，当磁性较强时，电磁铁对其的作用力为吸引力，而当磁性较弱时，电磁铁可以对其产生排斥力。

在这个实验的探索中，笔者深刻体会到了物理学基础理论的重要性。如果我们简单地把电磁铁认为是一个可以简化为永磁体的物体，那么将难以解释开始提到的物理现象，也无法在实验教学对这一现象讲解得清晰明白。而要去分析这一现象，必须要从物体的磁化现象去分析，而这一知识是高中物理课本没有深究的，在大学物理电磁学书中有详细的理论解释。

物理学是一门学无止境的学科，一个简单的物理现象背后也可能隐藏着深奥的物理知识，科学家也正是一直保持着怀疑真理的态度才让物理学一次次得到飞跃发展。我们在教学中也应该向学生传导这种敢于怀疑的精神，通过一些神奇的物理现象去激发学生学习物理的兴趣，达到更好的教学效果。

[1]贾起民、郑永令、陈暨耀.电磁学[M].高等教育出版社，2009.

[2]张德启、李新乡、陶洪等.物理实验教学研究[M].科学出版社，2011.