激发磁场与环流磁场

摘要：本文通过对电生磁的分析，证明了电流环只在与两个端平面所围成的内部空间激发磁场，不在外部空间激发磁场。N个电流相同的电流环串联到一起就是电流为NI的螺线管，与电流为NI的圆电流等价。

关键词：电流环  闭合磁路  激发磁场  环流磁场

引言

本人认为：大学的《普通物理》教材和《电磁学》教材中，普遍把环流磁场混淆为激发磁场，从而导致了人们对 螺线管内部激发磁场与外部环流磁场认识上混乱。现在应该正本清源，看看电流环到底在哪里激发磁场？

1、磁生电的启示

我们知道：磁通变化不是随便在任何地方都能激发电流。磁通变化在发电机的转子中激发电流，输电线路中的电流是由发电机输出的电流。激发电流离开转子就是输出电流。输出电流就不是磁通变化在输电线路中新激发的电流。人们都清楚发电机中的磁通变化不会不通过输电线路直接把远方的灯泡激亮。同理，电流环也存在激发磁场和环流磁场这样两种紧密相连却又意义不同的磁场。

2、激发磁场与环流磁场的特性

如果说电流环在外部场点能激发磁场。那么，按照右手定则（弯曲的四指代表电流环绕方向，伸直的拇指代表磁场方向）先按照教材假设在右端面等效N极以外轴线上的场点P处激发磁场。场点P处就会像泉眼一样源源不断地激发磁场，并且说明场点P处的磁场不是从等效N极流出来的。那么请问：电流环的等效N极还能在右端面吗？那么等效N极到底应该在哪里？能在无穷远处吗？显然，假设电流环在外部场点P处激发磁场就会矛盾重重，就会违背电磁铁与永磁铁的相似性。另外，当有磁路连接电流环外部的等效N极和等效S极时，在场点P处就没有磁场啦！而且，一是磁路不经过场点P处;二是磁路的外表面光滑几乎没有磁性。即便磁路吸收磁场，也只是解决磁场方向问题，一定会留下泉眼。为什么场点P处的这个泉眼就枯竭啦？为什么电流环中的电流元就不能在场点P处激发磁场啦？这些矛盾只能说明原来场点P处的磁场不是激发磁场，而是从等效N极流出的环流磁场。所以电流环只能在两个端平面的内部空间激发磁场 。

我们可以通过不同的路径即不同的磁路（包括大小不等的不闭合的矩形、圆形、椭圆形等各种磁路）连接电流环外部的等效N极和等效S极，就会使弥散在外部空间的环流磁场全部沿着磁路由等效N极流向等效S极。这就说明电流环外部空间 的环流磁场分布是可以改变的，可以从有到无。内部场点的激发磁场不会像外部场点的环流磁场那样说没就没了。不同磁路能够改变外部场点的环流磁场分布，却无法改变电流环在内部场点激发磁场的形态。无论是利用非闭合磁路从电流环外部连接等效N极和等效S极，还是把电流环外面套上软铁管，都无法改变电流环在其内部空间激发磁场。 如果，一个载流螺线管只是内部有软铁芯，这个软铁芯就无法把弥散在外部空间的环流磁感应线全部集中到自己内部。只有在螺线管外部连接等效N极和等效S极的磁路，才能把弥散在外部空间的环流磁感应线全部集中到自己内部。任何一个由螺线管软铁芯构成的闭合磁路，都可以把弥散在外部空间的磁感应线全部集中到自己内部（问题的实质是：有了磁路，从等效N极喷出的环流磁场就直接沿着磁路流向等效S极，就不会弥散到磁路以外空间了。此时，电流环的外部空间只有磁路中分布环流磁场，其它场点就没有环流磁场分布）。由此可见，电流环不是在什么地方都能激发磁场。电流环只能在与两个端平面所围成的内部空间激发磁场 ，不在外部空间激发磁场。

3、电流环与螺线管

因为，每个电流环就是一个小电磁铁。N个相同的电流环按照右手定则串联在一起，就是螺线管。螺线管也是一个电磁铁。如果把每个电流为I的电流环串联到一起，就是电流为NI的螺线管。为什么能说电流为NI的螺线管呢？因为电流是标量，不是矢量，故它们满足代数叠加。代数叠加的结果说明螺线管等价于一个电流为NI的电流环。故螺线管内部轴线磁场B≡ NI/2R。显然，螺线管内部轴线磁场随N的增加而增加是发散的。 《电磁学》P156页指出：“如果回路不是单匝线框而是多匝线圈，那么当磁通量变化时，每匝中都将产生感应电动势。由于匝与匝之间是互相串联的，整个线圈的总电动势就等于各匝所产生的电动势之和。…如果穿过每匝线圈的磁通量相同，均为φ，则Ψ=Nφ”。这里没有说在外部场点激发磁场和磁通量。

可见，全磁通原理特别突出了在串联结构中每匝导线的独立性。显然，螺线管就是多匝线圈。而且，匝与匝之间也是互相串联的。螺线管这种线圈的全磁通是对线圈总匝数N的代数叠加，实质上也是电流满足代数叠加。因为，电流是标量不是矢量，故满足代数叠加。Ψ=NΦ= ，得出NB即为N匝串联线圈所激发的总磁感应强度，其中B为每匝线圈独立时的磁感应强度。显然，NΦ和NB都随N的增加而增加，是发散的。实践是检验真理的唯一标准。“螺线管等多匝线圈的全磁通和电动势是对线圈总匝数N的代数叠加”，这个结论，是法拉第伟大物理学家从大量的实验中总结出来的客观规律。这个结论是经过实践检验的客观真理。

4、小结

综上所述，电流环的电流只在 两个端平面所围成的内部空间激发磁场。两个端平面以外的磁场是环流磁场。大学的《普通物理》教材和《电磁学》教材普遍认为“电流环与载流直导线一样，也是在电流的周围空间激发磁场”。这种认识是完全错误的。

参考文献

[1]电磁学/赵凯华，陈熙谋，——北京：高等教育出版社2003.4（2005重印）（1）P156页

[2]《科学与生活》2021年第18期 第5页《电磁实验是检验闭合回路激发磁场定律的唯一标准》

作者简介：姓名：朱昱昌。出生年月1948年3月6日。性别：男。汉族。籍贯吉林省梨树縣。学历：齐齐哈尔师范学院数学系毕业。研究方向：电磁学理论