磁场的方向与磁力线：从条形磁铁到通电螺线管的磁场分布

磁场的方向与磁力线：从条形磁铁到通电螺线管的磁场分布

磁场的方向和磁力线是理解磁场性质的重要概念。本文通过小磁针的指向来定义磁场方向，并通过磁力线这一形象化的概念来描述磁场的分布。文章详细描述了条形磁铁、直线电流、环形电流和通电螺线管等不同磁场中磁力线的分布特点，并通过安培定则来判定磁力线的方向。

把小磁针放在磁极或电流磁场中的任一点，我们看到小磁针因受磁场力的作用，它的两极静止时不再指向南北方向，而指向一个别的方向，在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同，这个事实说明，磁场是有方向性的，我们规定，在磁场中的任一点，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。

正象在电场中可以利用电力线来形象地描写各点的电场方向一样，在磁场中可以利用磁力线来形象地描写各点的磁场方向，所谓磁力线，是在磁场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致（图 1–4）。

图 1–4 磁力线

实验上常用铁屑在磁场中被磁化的性质，来显示磁力线的形状，在磁场中放一块玻璃板，在玻璃板，上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑在磁场里被磁化成“小磁针”，轻敲玻璃板使铁屑能在磁场作用下转动，铁屑静止时有规则地排列起来，就显示出磁力线的形状。

图 1.5 是条形磁铁的磁力线分布情况，磁铁外部的磁力线是从磁铁的北极出来，进入磁铁的南极。

甲：条形磁铁
乙：蹄形磁铁
图 1–5 磁铁磁场的磁力线分布

图 1–6 是直线电流的磁场。直线电流磁场的磁力线，是一些以导线上各点为四心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上，实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都变成相反的方向，即磁力线的方向随着改变。直线电流的方向跟它的磁力线方向之间的关系可以用安培定则（也叫右手螺旋定则）来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁力线的环绕方向。

甲：磁力线分布
乙：安培定则图
图 1–6 直线电流的磁场

图 1–7 是环形电流的磁场，环形电流磁场的磁力线，是一些围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴线上，磁力线和环形导线的平面垂直，环形电流的方向跟它的磁力线方向之间的关系，也可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁力线的方向。

甲：磁力线分布
乙：安培定则
1–7 环形电流的磁场

图 1–8 是通电螺线管的磁场。螺线管通电以后表现出来的磁性，很象是一根条形磁铁，一端相当于北极，另一端相当于南极。改变电流的方向，它的南北极就对调，通电螺线管外部的磁力线和条形磁铁外部的磁力线相似，也是从北极出来，进入南极的，通电螺线管内部具有磁场，内部的磁力线跟螺线管的轴线平行，方向由南极指向北极，并和外部的磁力线连接，形成一些闭合曲线，通电螺线管的电流方向跟它的磁力线方向之间的关系，也可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁力线的方向，也就是说，大拇指指向通电螺线管的北极。

图 1–8 通电螺线管的磁场