感生电动势本质【从本质上区分动生电动势与感生电动势】
时间：2019-02-02 03:20:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
穿过导体回路所围面积的磁通量发生变化时，在导体回路中产生感生电动势。根据引起磁通量变化的方式不同，可以将感应电动势分为动生电动势和感生电动势。在我们教材中是这样定义两者的：�
动生电动势：磁场不随时间变化而导体回路的整体或局部在运动所产生的感应电动势。�
感生电动势：导体所围回路面积不变而磁场随时间变化所产生的感应电动势。�
从动生电动势和感生电动势的定义出发，我们可以判定由于穿过导体回路所围面积的磁通量发生变化，在回路中产生的感应电动势是动生电动势还是感生电动势。但笔者认为单纯从定义出发来判定两者不太科学，并且有时候可能会出现模棱两可的结论。下面通过一个比较熟悉的例子来说明：�
例1 如下图所示，在一无限长载流直导线附近有一与之平行的金属导体棒AB。棒以速度 沿垂直于载流直导线的方向运动。在运动过程中，金属导体棒中产生了感应电动势。此感应电动势是动生电动势还是感生电动势？我们不妨根据两者定义这一角度来分析一下。�
首先，让无限长载流直导线相对于地面静止不动，这样它激发产生的磁场是不随时间变化的稳恒磁场。导体棒AB在磁场中运动产生的感应电动势为动生电动势。然后，让导体棒AB相对于地面静止不动，这样无限长载流直导线以速度（-）向左运动。在金属导体棒AB所处位置，由载流直导线所产生的磁场在发生变化，而导体棒没有运动。依据定义，可以判定在导体棒上又产生了感生电动势。�
例2 如下图所示，条形磁铁以相对于导体环的速度插入之，由于穿过导体环的磁通量发生了变化，导体环中必产生感应电动势，闭合回路中产生感应电流。导体环中的感应电动势是动生电动势还是感生电动势？我们不妨分析一下：��
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如果让导体环相对于地面静止。这样，由于条形磁铁的插入，通过导体环所在位置的磁感应强度发生变化，那么依定义可得出导体环中产生的感应电动势应该是感生电动势；如果让条形磁铁相对于地面静止，此时，我们可视条形磁铁产生的磁场为稳恒磁场，不随时间发生变化，而导体环以速度（-）套入条形磁铁中。其实验结果和前者并非不一样，可是，由于这时不变，而导体所围回路在"动"，由定义可得，导体环中产生的感应电动势应该是动生电动势。�
以上两例说明，依照定义来判定感应电动势的属性，主要看导体是否在运动。由于导体的运动与否取决于参考系的选取，因此运动导体中产生的感应电动势的属性与参考系的选取有直接的关系，从而得出模棱两可的结论。这样学生不容易区分感应电动势的属性，很可能造成混乱。虽然，上面这两个例子并不具有一般性，不能代表所有电磁感应现象的事例。但是通过这样两个例子足以说明问题：我们不能单纯的从定义来看产生的感应电动势是动生电动势还是感生电动势，笔者认为应该从动生电动势和感生电动势本质来区分两者。下面我们详细地阐述一下两者的本质。�
动生电动势的本质：如下图所示，导体棒AB垂直置与磁场中，并沿垂直于导线的方向在图示平面内，以速度匀速向右运动。导体内所有自由移动的电子将随导体棒AB一起向右运动，自由电子受到磁场洛伦兹力的作用。洛伦兹力的大小为fm=evB ，方向由B指向A。�
在洛伦兹力的作用下，自由电子由B向A运动，在导体棒的下端发生积累，于是A端带负电，B端由于失去电子而带正电。随着正负电荷在导体棒两端的积累，导体棒内出现了由B指向A端的电场。因此，导体棒内的电子同时受到向下的洛伦兹力和向上的电场力的作用。当导体棒两端的电荷积累到一定程度时，自由电子受到的洛伦兹力和电场力达到平衡，导体内的自由电子不再因导体棒的移动而发生宏观移动，导体内电荷分布稳定，导体两端形成恒定的电势差。�
若导体棒AB两端与固定不动的导线连接构成回路时，回路中便出现感应电流，导体棒AB两端所积累的电荷将减少，原来的平衡被破坏，于是洛伦兹力又使自由电子从B端沿导体内部流向A端，使AB两端的电荷不断得到补充，从而使导体棒两端的电势差保持恒定，维持回路中的电流不断。由此得到：产生动生电动势的非静电力就是由洛伦兹力。�
既然产生动生电动势的非静电力是洛伦兹力，那么产生感生电动势的非静电力是什么样的力？麦克斯韦指出：产生感生电动势的非静电力是感生电场力（或称为涡旋电场力）。�
由于洛伦兹力和感生电场力是两种性质截然不同的，有着比较明显区别和界限的力，因而，以它们为依据来判定感应电动势的属性，区别动生电动势和感生电动势就会变得比较明了，不会出现模棱两可的结论。下面，我们先着重强度一下洛伦兹力和感生电场力的主要区别：
洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的力。其特点是：洛伦兹力只能作用于相对于磁场运动的电荷。以洛伦兹力作为非静电力而产生的感应电动势，导体必须"切割"磁力线。�
感生电场力：由变化的磁场激发产生的感生电场即涡旋电场施于置于场中的电荷的力。其特点是：电荷可以相对于电场静止，它受力只是因为它带电。�
另外，形成感生电场力的涡旋电场是由变化的磁场激发的，由此，在稳恒磁场中不会产生感生电场力；而形成洛伦兹力的磁场可以是稳恒的。产生洛伦兹力，导体必须"切割"磁力线；产生感生电场力，导体可以不"切割"磁力线。�
知道了动生电动势和感生电动势的本质区别，下面我们再来分析上面提到的两个例子。�
例1中导体棒相对于磁场作"切割"磁力线运动，导体中所有的自由电子由于相对磁场运动而受到洛伦兹力，形成的感应电动势自然是动生电动势。在此过程，自由电子没有受到感生电场力，因此，也就不会产生感生电动势。�
例2中，条形磁铁相对于导体环运动时，导体环中每一段都在"切割"磁力线，导体环中的自由电子受到洛伦兹力，形成的感应电动势也理应是动生电动势。�
再举一例分析一下，同而证明我们观点的正确性。�
例3 如图所示，竖直放置的无限长载流直螺旋管通有随时间变化的电流 ，其中有一水平放置的金属圆环在沿着竖直方向运动。通过金属圆环中的磁通量发生了变化，回路中产生了感应电动势。此感应电动势是动生电动势还是感生电动势或者两者兼有。下面我们分析一下：�
根据定义，由于通过无限长直螺旋管上的电流随时间在变化，因此在螺旋管中产生的磁场在随时间变化，穿过金属圆环的磁通量发生了变化，圆环中产生的感应电动势应为感生电动势。另外，金属圆环在磁场中运动，按照定义，在金属圆环中同时产生了动生电动势。但事实并非如此。虽然金属圆环在向下运动，但是金属圆环运动的速度方向和无限长直螺旋管中的磁场方向是平行的，所以金属圆环中自由电荷所受的洛伦兹力为零，也就是说，金属圆环在运动过程中并没有受到洛伦兹力。而穿过金属环的磁通量的变化仅仅是由于无限长直螺旋管中磁场变化引起的，因此，我们说金属环中的感应电动势的根本起因是以感生电场力作为非静电力形成的，所以金属环中产生的感应电动势应该是感生电动势。�
通过以上讨论：我们可以非常清楚地看到，从动生电动势和感生电动势的本质出发来判定导体回路中产生的感应电动势的属性是非常正确的，不会出现模棱两可的结论。
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