试探电荷和电流元的特征分析

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翻新时间：2023-05-20

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试探电荷和电流元的特征分析

试探电荷和电流元的作用是试探或检验，用试探电荷q去试探电场是否存在，若受到力F的作用，则表明试探电荷所在的空间存在电场，用比值定义法可以定义电场强度E=Fq；类似的方法是把电流元垂直放入磁场中，若电流元IL受到力F的作用，则表明电流元所放的空间存在磁场，用比值定义法可以定义磁感应强度B=FIL.为了减小对原来“场”的影响，必须对试探电荷和电流元都有一个足够“小”的限制，那么为什么要限制，其对原“场”是如何产生影响的呢？

教学中发现，对试探电荷的影响师生都可以理解，而对电流元的影响原因则不太清晰.下面试图给出一个较清晰的解释.

1试探电荷为什么要“小”

存在一种错误的理解认为：试探电荷产生的电场和场源电荷产生的电场叠加导致原电场发生变化，所以为了避免叠加的影响，试探电荷电量要充分小.此错误在于没有意识到试探电荷自身产生的电场不会对自身产生力的作用.而叠加后的电场恰包含试探电荷自身产生的电场.

人教版教材选修3-1的表述是：试探电荷的电荷量和尺寸必须充分小，对金属球Q（场源电荷）上的电荷分布不产生明显的影响，从而原来的电场不因试探电荷的出现而有明显的变化.

如图1示意：

通过上述分析可知，试探电荷的电量q要充分小，是为了保证待检验的电场分布不受明显影响；试探电荷尺寸（体积）也要足够小，可以近似认为是“点”电荷，则是为了测量原电场中该点电场强度的准确性，尺寸越小，理论上讲该点的电场强度E=Fq的测量越精确.

2电流元为什么要“小”

磁场中为了试探磁场的客观存在和某点磁场的强弱，小磁针可以充当试探的作用，但由于作用力不易测量，不适宜用来定义磁感应强度.一段通电的导线如果满足电流充分小、导线充分短的条件，可称为电流元IL，用电流元来试探和定义磁场，“扮演”了电场中试探电荷的角色.

（1）在电流（运动电荷）产生的磁场中，放入电流元，电流元产生的磁场会对导线中定向移动的自由电荷产生磁场力的作用，即洛伦兹力的作用，自由电荷的运动方向发生偏转，电荷的有序运动受到影响，其产生的磁场也会因此发生改变，所以要求电流元中的电流充分小，小到对原电流中的运动电荷的作用力可以忽略的程度.

（2）在磁体（条形磁铁或蹄形磁铁等）产生的磁场中，放入电流元，电流元的影响如何体现呢？这是困扰师生的难题，这个问题可从安培的分子电流假说出发，人教版选修3-1中的表述：在原子、分子等物质的内部，存在一种环形电流-分子电流.分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极.

没放入电流元时，磁体中的各分子电流取向大致相同，产生较强的磁场；放入电流元后，由于电流元产生的磁场作用，磁体内部的部分分子电流受到磁场力的作用而改变取向，从而改变了磁体产生的磁场.所以也要求电流元中的电流充分小，减少对磁体中的分子电流的取向产生影响.

综上所述，为了保证原磁场的分布不受影响，作为试探作用的电流元的电流I要充分小；电流元的导线长度L（线度）要充分短，是为了定义磁场某“点”磁感应强度B=FIL的准确性.线度越小，该点的测量也越精确.