手电筒通电时吸引不动大头针是因为磁场太弱吗

　　摘 要：本文根据通电直导线周围的磁感应强度计算公式，用逻辑推理的方法证明，外壳是金属材料的手电筒无论通入的电流大或小，产生的磁场强或弱，手电筒的外壳都不会吸引包括大头针在内的所有磁性材料，从而说明教科书中关于手电筒磁性论断内容不妥的原因.
　　关键词：手电筒;磁性材料;磁感应强度;吸引
　　
　　作者简介：王伟民（1964-），男，安徽太和人，本科，中教高级教师，研究方向：中学物理教学.
　　人教版义务教育教科书九年级（全一册）第20章内容为电与磁，本章第2节的标题为“电生磁”，教科书分别介绍了通电直导线周围的磁场规律和通电螺线管周围的磁場规律.在介绍完通电直导线周围的磁场规律，定义了电流的磁效应之后，为了引入螺线管，课本插入如下一段内容：
　　“既然电能生磁，为什么手电筒在通电时连一根大头针都吸引不动？这是因为它的磁场太弱了.如果把导线绕在圆筒上，做成螺线管（也叫线圈），各圈导线产生的磁场叠加在一起，磁场就会强很多”.
　　可以看出，编者的逻辑意图是将手电筒视为单根导线，因其“势单力薄”，产生的磁场自然较弱，其表现为“连一根大头针都吸引不动”.将很多导线共同产生的磁场叠加，磁场势必要加强，所以导线做成螺线管“磁场就会强很多”.
　　虽然初中未涉及通电直导线周围的磁场强弱与导线中电流大小以及距离导线远近的定量关系，但是，绝大多数学生可以正确“猜”出磁场强弱与导线中电流大小的定性关系——通过导线的电流越大，电流产生磁场的磁性便越强.按照这样的推理逻辑，学生自然会进行类比——如果通过手电筒的电流足够大，它的磁性就会足够强，手电筒也“能够吸引大头针”.
　　实际上，以上推理是错误的.对于外壳是金属材料，并用外壳作为连接电路导线的手电筒（手电筒是上个世纪六七十年代家庭必备电器，外壳大多为金属材料），通过的电流再大，也不会“吸引”像大头针之类的磁性材料.我们不妨根据通电直导线周围磁感应强度的公式进行定量分析.
　　图1是有金属外壳的手电筒的结构示意图.由于外壳是圆柱体的侧面，我们可以用图2所示的模型来表示手电筒通电时的情形——电流从圆柱体中轴线处电池的正极出发，至圆柱体的左底面中点（圆心处）时，向四周分成很多支路，到达侧面与左底面的交界处，折转90°沿圆柱体的侧面向右流动，再经右底面折转并聚合于右底面的圆心后，沿圆柱体的中轴线回到电池负极.
　　图2中，先探究圆柱体侧面电流产生磁场的规律.由于对称，结合安培定则不难判断，若圆柱体金属筒无限长，当侧面通入沿母线方向的均匀分布的电流时，其周围空间的磁感线与通电直导线周围空间的磁感线类似，为一组以圆柱体的中轴线上各点为圆心的同心圆，各圆面垂直于圆柱体的中轴线，图2中仅画出其中的一条磁感线.
　　为便于分析，我们将手电筒的侧面看作是由无数个平行的细导线并列而成