電磁感應(yīng)的成因
2008-12-31 00:00:00盧朝俊
物理教學(xué)探討 2008年23期
摘要：電磁感應(yīng)的本質(zhì)原因是內(nèi)部自由電荷的定向移動，一是導(dǎo)體做切割磁感線運動：洛倫茲力為非靜電力，驅(qū)使自由電荷定向移動，形成電源。二是磁場變化：導(dǎo)體不動，渦旋電場力為非靜電力，驅(qū)使自由電荷定向移動形成電源。
關(guān)鍵詞：動生電動勢；洛倫茲力；感生電動勢渦旋電場力非靜電力
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)12(S)-0050-2
1 引言
電源是內(nèi)部非靜電力作功將自由電子由正極移到負極，將其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。那么內(nèi)部自由電荷定向移動的原因是什么呢?高中教材沒有研究內(nèi)部電荷定向移動的原因，本文就此做一分析。
2 感應(yīng)電動勢
電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，按其產(chǎn)生原因分為三種情況：
（1）B不隨時間變化，而部分導(dǎo)體做切割磁感線運動產(chǎn)生的動生電動勢。
E勢=Blv。
（2）導(dǎo)體不動而磁場隨時間變化所產(chǎn)生的感生電動勢。
E勢=NΔΦ／Δt=NSΔB／Δt。
（3）B隨時間變化且電路也有運動，這時的電動勢是動生電動勢和感生電動勢的迭加。下面分兩種情況進行研究。
2．1 動生電動勢產(chǎn)生的原因
動生電動勢是導(dǎo)體做切割磁感線而產(chǎn)生的，如圖1所示。導(dǎo)體棒ab以速度v向右平移，則導(dǎo)體內(nèi)部自由電子就要受到向下的洛倫茲力f=evB作用向下定向移動。因此a端聚集正電荷，b端聚集負電荷形成電源。a端為正極，b端為負極。
洛侖茲力將電子由a端移到b端所作功為
W=fL=evBL。
所以電動勢為E勢=W／q=BLv。
此外也可以從電場力的角度求動生電動勢的大小，如圖2所示，ab勻速運動時，自由電荷受洛倫茲力作用作定向移動，ab兩端分別聚集正負電荷，在導(dǎo)體中形成電場，當兩極電荷積累達到evB=eE時，電荷停止定向移動，則evB=eE=eE勢／L。所以E勢=BLv。
從微觀的角度研究ab向右勻速運動，如圖3所示。若ab以v1滑行，電子受到向下的洛侖茲力f1=ev1B定向移動，形成感應(yīng)電流，而v2的存在又使電子受到向左的洛倫茲力f2=ev2B，則電子受到的洛倫茲力的合力f=f1+f2，電子運動的合速度為v=v1+v2，因f⊥v，則總的洛倫茲力不做功。這實質(zhì)上反映了能量的轉(zhuǎn)換與守恒。洛倫茲力在這里起作了一個能量轉(zhuǎn)換者的作用，即外力克服洛倫茲力的一個分量f2所作的功通過另一分量f1轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的能量。
2．2 感生電動勢
導(dǎo)體不動而磁場變化時也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。是什么原因使自由電荷定向移動而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢呢?
由麥克斯韋的電磁理論，變化的磁場要產(chǎn)生渦旋電場，即感生電場。它就是產(chǎn)生感生電動勢的非靜電場。按照法拉第電磁感應(yīng)定律，在一個導(dǎo)體回路L中產(chǎn)生的感生電動勢為
E勢=∮lE感#8226;dl=-dΦdt=-sBt#8226;ds
如圖4所示，圓環(huán)中感應(yīng)電動勢的正負總是與磁通量變化率的正負相反，若磁場均勻增加，圓環(huán)中感應(yīng)電動勢的方向a為負極，b為正極。電動勢大小為：
E勢=∮lE感#8226;dl=E感#8226;2πr。
3 總結(jié)
通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)的原因具體分為兩種
(1)磁場不變，導(dǎo)體運動時非靜電力為洛倫茲力，相應(yīng)的感應(yīng)電動勢為動生電動勢。
E勢=BLv。
其中L為切割磁感線的有效長度，v為切割磁感線的有效速度。宏觀表現(xiàn)為，導(dǎo)體克服安培力做多少功就產(chǎn)生多少電能。
(2)導(dǎo)體不動，而磁場變化，非靜電力為渦旋電場力，相應(yīng)的感應(yīng)電動勢為感生電動勢。
E勢=NΔΦ／Δt=NSΔB／Δt。
渦旋電場力做多少功就產(chǎn)生多少電能。
參考文獻：
梁燦彬《電磁學(xué)》高等教育出版社［M］.北京1986年2月，第363—384頁。
(欄目編輯陳 潔)
