對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的認(rèn)識(shí)及研究

邱昊

摘 要：我們從高中物理選修教材的3-2開(kāi)始學(xué)習(xí)感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。從本人與同學(xué)的普遍反應(yīng)來(lái)看，這部分內(nèi)容的難度是較大的，所涉及概念也較為生澀，不容易理解。為了保證我們?cè)谄綍r(shí)解題與考試過(guò)程中能夠靈活、有效、綜合運(yùn)用該知識(shí)點(diǎn)，本文思考了對(duì)該部分知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)與例題研究過(guò)程。

關(guān)鍵詞：感生電動(dòng)勢(shì) 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 區(qū)別綜合應(yīng)用

在高中物理學(xué)習(xí)中，我們了解到磁場(chǎng)是變化的，且它周圍存在感生電場(chǎng)，而電場(chǎng)線是一系列的閉合線圈，它利用閉合導(dǎo)體中的自由電荷在非靜電力作用下定向運(yùn)動(dòng)，最終產(chǎn)生感應(yīng)電流，這就是導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

一、感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)之間存在本質(zhì)區(qū)別

我們?cè)趯W(xué)習(xí)感應(yīng)電流過(guò)程中，必須首先了解感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)二者之間的本質(zhì)區(qū)別。在物理教材內(nèi)容中如此解釋“如果感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的，它就應(yīng)該叫做‘感生電動(dòng)勢(shì)。其中感生電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)就是產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，而渦旋電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非靜電力，它令導(dǎo)體中的電荷逐漸向兩端積累最終產(chǎn)生電勢(shì)差。相比較而言動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)則是由洛倫茲力來(lái)充當(dāng)非靜電力的，它同樣使導(dǎo)體中的電荷向兩端積累產(chǎn)生電勢(shì)差。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)磁通量變化主要由磁場(chǎng)變化所引起，實(shí)際上這樣的磁場(chǎng)應(yīng)該是最穩(wěn)定的，但是它始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？紤]到磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致線框切割磁感線，所以線框中的自由電荷一定會(huì)因?yàn)槭艿铰鍌惼澚Χl(fā)生定向移動(dòng)最終形成感應(yīng)電流。

二、感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的分別應(yīng)用

在了解了感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)二者區(qū)別以后，就要對(duì)二者的分別應(yīng)用進(jìn)行分析，要重點(diǎn)了解感生電場(chǎng)與感生電動(dòng)勢(shì)，以及洛倫茲力與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)在實(shí)際習(xí)題應(yīng)用中的實(shí)際表現(xiàn)。

1.感生電場(chǎng)與感生電動(dòng)勢(shì)的習(xí)題應(yīng)用分析

如果存在一個(gè)半徑為的絕緣細(xì)圓環(huán)，將其水平放置，其中環(huán)內(nèi)會(huì)存在豎向向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。在絕緣細(xì)圓環(huán)上套上一個(gè)電荷量為的小球，就可知?jiǎng)驈?qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間均勻增強(qiáng)，它的變化率應(yīng)該為。如果小球在環(huán)上運(yùn)動(dòng)一周，求解感生電場(chǎng)對(duì)小球的作用力所做功應(yīng)該是多少。

這道題目是我們會(huì)在該課中所學(xué)到的典型例題，它就涉及到了感生電場(chǎng)中所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)的變化問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析得知正是由于感生電場(chǎng)變化導(dǎo)致了磁場(chǎng)中周圍空間的電場(chǎng)被有效激發(fā)，進(jìn)而由法拉第電磁感應(yīng)定律在感生電場(chǎng)中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，所得到的感生電動(dòng)勢(shì)應(yīng)該表示為：

而此時(shí)電場(chǎng)力會(huì)同時(shí)做功，得到：

小球在絕緣細(xì)圓環(huán)上運(yùn)動(dòng)一周所做的功應(yīng)該表示為：

2.洛倫茲力與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的習(xí)題應(yīng)用分析

我們?cè)趯W(xué)習(xí)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)過(guò)程中一定會(huì)接觸到洛倫茲力，對(duì)于一般導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，當(dāng)它做切割磁感線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)體本身就充當(dāng)了電源的作用，其原因就在于金屬棒的整體平動(dòng)可以視為是導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)數(shù)電子同時(shí)做定向運(yùn)動(dòng)，它們?cè)诖艌?chǎng)中由于受到沿棒向洛倫茲力作用，最終產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。

圖1 洛倫茲力作用產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)示意圖

如圖1，我們看到磁場(chǎng)沿著棒向下產(chǎn)生洛倫茲力作用，電子會(huì)向端逐漸聚集積累，但實(shí)際上棒本身是不帶電、顯示電中性的，這是因?yàn)殡娮右呀?jīng)全部轉(zhuǎn)移走，端則會(huì)自然帶上等量的正電荷。

通過(guò)這道習(xí)題我們可以學(xué)習(xí)到，如果電荷移動(dòng)，習(xí)題中的棒內(nèi)一定會(huì)形成一個(gè)附加電場(chǎng)，該電場(chǎng)與電荷移動(dòng)方向完全相反，一定程度上也會(huì)阻礙電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程，最終促成電荷移動(dòng)的平衡狀態(tài)。當(dāng)電荷不再移動(dòng)以后，我們要繼續(xù)通過(guò)右手定則來(lái)判斷圖1中端電勢(shì)高，它應(yīng)該與電源正極端電勢(shì)相反方向，充當(dāng)導(dǎo)體電源負(fù)極。

同理，我們來(lái)分析另一種情況。某豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如果將某一水平放置的金屬棒以水平初速度拋出，假設(shè)整個(gè)過(guò)程中金屬棒的取向不變，同時(shí)也不計(jì)空氣阻力，那么金屬棒的在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)其大小變化情況的判斷應(yīng)該從金屬棒運(yùn)動(dòng)方面展開(kāi)分析。金屬棒是做平拋運(yùn)動(dòng)的，它在豎直方向方面做自由落體運(yùn)動(dòng)，速度由重力影響不斷增大，但不會(huì)切割磁感線。而它在水平方向則做勻速運(yùn)動(dòng)，切割磁感線，但速度適中保持不變，因此可以判斷金屬棒的電動(dòng)勢(shì)大小變化為保持不變[1]。

3.感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的綜合習(xí)題應(yīng)用分析

在分別了解感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的相關(guān)習(xí)題應(yīng)用以后，我們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中還要了解二者的綜合應(yīng)用，做到知識(shí)學(xué)習(xí)融會(huì)貫通。這里給出一道同時(shí)擁有兩種概念的習(xí)題進(jìn)行分析。

在某一張固定的水平桌面上有一金屬框架，它處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬棒在金屬框架上并做無(wú)摩擦滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。已知金屬棒電阻為，其余部分電阻忽略不計(jì)。如果最開(kāi)始時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為，從時(shí)刻開(kāi)始計(jì)起，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越小。如果金屬棒能夠始終保持恒定速度向一邊勻速運(yùn)動(dòng)，則金屬棒中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，那么此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度是怎樣隨時(shí)間變化的？

這道題目實(shí)際上就是在提問(wèn)我們?nèi)绾伪硎敬鸥袘?yīng)強(qiáng)度與時(shí)間之間關(guān)系。首先，我們分析得到實(shí)際金屬棒是不產(chǎn)生感應(yīng)電流的，但在分析中也發(fā)現(xiàn)在回路中磁感應(yīng)強(qiáng)度始終在變化，同時(shí)金屬棒在切割磁感線時(shí)也導(dǎo)致勻強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生變化。此時(shí)可以判斷動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)二者大小相等，但方向相反。但是我們依然不知道的是該磁場(chǎng)是否處于均勻變化狀態(tài)，如果不是均勻變化狀態(tài)，就無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)感生電動(dòng)勢(shì)，最終導(dǎo)致答案錯(cuò)誤。正確的做法是在了解其不產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況下，可判斷總電動(dòng)勢(shì)應(yīng)該為0，結(jié)合電動(dòng)勢(shì)是磁通量導(dǎo)數(shù)這一感應(yīng)電流理論，逆向分析實(shí)際上磁通量應(yīng)該為始終保持不變的定值，最終寫出磁通量守恒表達(dá)式，表示磁感應(yīng)強(qiáng)度與時(shí)間之間關(guān)系應(yīng)該為：

得出結(jié)論不會(huì)隨時(shí)間均勻變化[2]。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述一系列論述分析，可以見(jiàn)得電磁感應(yīng)的確存在一定復(fù)雜性，我們要在學(xué)習(xí)過(guò)程中正確理解其中感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)之間的區(qū)別與物理關(guān)系，靈活運(yùn)用它們進(jìn)行分析解題，思考、總結(jié)解題思路，保證學(xué)好這部分知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳泓錕.電磁感應(yīng)的理解與應(yīng)用[J].中國(guó)校外教育（中旬刊），2016（10）：105，136.

[2]周耀虎.感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的理解與應(yīng)用[J].物理通報(bào)，2016（z2）：99-101.