一个偶然的机会，学生拿着一个筒状磁铁（从扬声器上拆下来的，亦即环状磁铁）问我它的磁场是如何分布的？当时没有仔细的思考，径直告诉他“筒状磁铁的磁场分布与通电螺线管的磁场分布情况相同”，当时有同事提出了异议，但由于磁场是一种很抽象的物质，用常规的实验器材很难精确测定，因此一直没有得出定论。最近，笔者利用了DISLab实验系统中的磁传感器实现了磁感应强的定量测量，得到了筒状磁铁分布的真实情况，同时利用安培分子电流假说对筒装磁铁的磁场分布进行了微观透析。下面是实验过程及理论证明过程。

1、用Dislab实验装置中的磁传感器探索筒状磁铁各空间的磁场方向

DISLab是Digital Information System三个词的缩写，是“数字化信息系统实验室”的简称，它是一种用于实时采集数据的智能化系统，由各种传感器、一台数据采集器、计算机系统及配套软件构成。DISLab配备的各种传感器可以实时采集各类被测量的数据，几乎涵盖了高中物理教材中所有实验的被测量，并可以同时测量多个物理量，通过A/D转换输入计算机，并通过相应的软件对被测信息进行各种数据处理，从而构建了一个现代化的数据测量和处理平台。利用DISLab实验系统，可以实现微小量的测量、数据的精确处理、图像的直观转化等常规手段难以达到的目的。下面是利用DISLab实验系统对筒状磁铁磁场分布情况的验证过程。

首先将计算机、数据采集器和传感器依次连接，打开电源，使系统正常工作，然后按以下步骤试验。

（1）、如图一所示，将传感器的探头放置于已知极性的条型磁铁的正上方，使两者平行，测出探头所在位置的磁感应强度。此时磁感应强度水平向左，传感器窗口示数为正。

（2）、根据磁极间相互作用“同性相斥，异性相吸”的规律，利用已知极性的条型磁铁来确定筒状磁铁的极性。（结果如标示）

（3）、将传感器的探头沿轴线方向分别如图二（N极外侧）、图三(中空部分)、图四（S极外侧）放置，传感器窗口的示数分别为负、正、负，根据步骤1中磁场方向和示数的关

系可知，在筒状磁铁的外部，此感线由，这和螺线管外部的磁场分布规律相同。但由图三可以看出，在中空部分（对螺线管而言是内部）磁场的方向却也是由N 极指向S极的，这和螺线管内部的磁场分布恰好相反。在笔者重复多次进行了该实验，都得到了相同的结果。

2、实验现象的微观解释——理论探究过程

2.1筒状磁铁微观模型的建立

按照安培分子电流假说，磁铁具有磁性是因为其中的环形分子电流进行了有序排列，对条形磁铁而言，其分子电流有序排列后分布如图五，此时磁铁内部任何两个分子电流相邻的那一对电流元中的电流总是大小相等，方向总是彼此相反，因此它们的效果互相抵消。只有在横截面边缘上的各段电流元未被抵消，从宏观上看，这横截面内所有分子环流的总体与沿截面边缘的一个大环形电流等效（如图五）。由于在各个截面上都出现了这种环形电流，从整体上看，条形磁铁就象一个“螺线管”（如图六）。^[1]_.至此，安培分子电流假说将条形磁铁和通电螺线管很好的统一了起来。

受上述分析过程的启发，笔者将筒状磁铁作了如下的等效处理：筒状磁铁的分子电流有序排列的情形如图七，磁铁内部任何两个分子电流相邻的那一对电流元的作用效果互相抵消，只有在内外两个横截面边缘上的各段电流元未被抵消。从宏观上看，截面内所有分子电流的总体与沿截面边缘的两个共轴的环形电流等效，它们的电流是大小相等、方向相反的，如图七。从整体上看，筒状磁铁就是由两个共轴、等长的但粗细不同 “螺线管”构成的，其中的电流大小相等，方向相反，空间的磁场由两个“螺线管”共同决定。

2.2实验现象的微观解释及宏观表现

由上面建立的筒状磁铁的微观模型可以看出，筒状磁铁和通电螺线管完全不同。很明显，筒状磁铁将空间划分为三部分，根据磁场的叠加原理，各个空间的磁场分布情况如下（图八）：

（1）、大“螺线管”的外部空间，也可以说是筒状磁铁的外部空间，此空间内由于大螺线管的磁场较强，故合磁场方向由大螺线管外部的磁场决定：由筒状磁铁的北极出发，回到南极。

（2）、两个“螺线管”之间的夹层，亦即筒状磁铁的内部----对大螺线管而言是内部，对小螺线管而言是外部，由于两者电流方向相反，故此空间内两个螺线管磁场方向相同，叠加后由筒状磁铁的南极指向北极（图七）。

（3）、小“螺线管”的内部空间（对两螺线管而言都是内部空间），即平时所谓的“筒状磁铁内部”。 由通电螺线管内部磁感应强度与电流大小的关系式^[2]可知，此空间内小螺线管产生的磁场比大螺线管产生的磁场强，故其叠加后磁场方向由小螺线管产生的磁场的方向决定，即由筒状磁铁的北极指向南极。

至此实验现象的正确性从理论上得到了明确的解释。笔者在此想指明一点：造成“筒状磁铁的磁场分布与通电螺线管的磁场分布情况相同”这种错误看法的根本原因，是因为我们平常描述磁场方向时对所讲的“磁铁内部”这一概念理解的不够透彻。“磁铁内部”应该是指磁铁这一实体的内部，而不应该简单理解为是由磁铁围成的“内部空间”，正如上述筒状磁铁的内部应该指内外两表面之间的夹层，而不应该是其围起来的中空部分。

3、问题的拓展

通过进一步的思考和理论分析，笔者觉得对于小螺线管内部（中空部分）空间的磁场分布，还应该有下面一个规律：对于同一根筒状磁铁，如果保持其外径不变，当筒壁逐渐变厚（内径逐渐变小但不变为零）时，小螺线管内部空间的磁场应该越来越强。其理论依据是：外径不变，大螺线管在中空部分内各点产生的的磁场强弱不变；内径变小，小螺线管在内部产生的磁场变强，故在小螺线管内部两者的合磁场变强。但一时还没有找到合适的方法来改变同一筒状磁铁的内径来验证这一规律，如有较好的验证方方法，欢迎提供，在此先行致谢。

参考文献：

1、赵凯华 陈熙谋 · 电磁学·北京：高等教育出版社 ·1985第2版  P₅₅₁

2、柳斌等·《中学物理教学全书》（物理卷）·上海：上海教育出版社  1996