我們知道，通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到的力稱(chēng)為安培力，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力稱(chēng)為洛倫茲力，由于導(dǎo)線(xiàn)中的電流是有大量自由電子沿導(dǎo)線(xiàn)定向移動(dòng)形成的，因此安培力與洛倫茲力之間必然存在著某種關(guān)系，這就是通常所說(shuō)的安培力是洛倫茲力的宏觀(guān)表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀(guān)本質(zhì)。但是自由電子受到的洛倫茲力是怎樣傳遞給導(dǎo)體表現(xiàn)為宏觀(guān)的安培力的呢？在新課標(biāo)高中物理中也出現(xiàn)了對(duì)這一問(wèn)題的解釋?zhuān)珜?duì)這一問(wèn)題的解釋在其它物理文獻(xiàn)中還存在著幾種不同的觀(guān)點(diǎn)，現(xiàn)進(jìn)行一下比較討論，希望能為大家提供有益參考。

1 合力說(shuō)

這種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，導(dǎo)體中自由電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成了電流。電荷定向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受洛倫茲力的合力，表現(xiàn)為導(dǎo)體所受的安培力，［1］如圖1所示。

設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，導(dǎo)線(xiàn)中每個(gè)帶電粒子定向移動(dòng)的速度都是v，電荷量為q，并考慮B與v垂直的簡(jiǎn)單情況，則每個(gè)帶電粒子所受洛倫茲力為F洛=qvB

設(shè)導(dǎo)體中單位體積內(nèi)粒子數(shù)為n，在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)截面S的粒子數(shù)為

N=nSvt

N個(gè)粒子所受洛倫茲力的合力為

F洛合=NF洛=nSvtqvB

又因?yàn)镮=Qt=Nqt=nSvtqt=nSvq，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度L=vt，所以

F洛合=nSvtqvB=ILB=F安

于是驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力的合力等于宏觀(guān)的安培力。這種觀(guān)點(diǎn)直觀(guān)簡(jiǎn)單地建立起了洛倫茲力與安培力之間的關(guān)系，易于初學(xué)者接受，尤其是在中學(xué)中采用此觀(guān)點(diǎn)更方便學(xué)生的學(xué)習(xí)。但洛倫茲力是怎樣傳遞給導(dǎo)體表現(xiàn)為宏觀(guān)的安培力這一根本問(wèn)題沒(méi)有得到微觀(guān)的解釋。

2 碰撞說(shuō)

導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷受到洛倫茲力作用后徑向彎曲，總會(huì)與導(dǎo)體的結(jié)晶點(diǎn)陣不斷發(fā)生碰撞，在碰撞過(guò)程中自由電荷最終將動(dòng)量傳遞給導(dǎo)體的晶格骨架，匯集起來(lái)就表現(xiàn)為導(dǎo)體所受的宏觀(guān)安培力。［2］［3］碰撞說(shuō)實(shí)際上是對(duì)合力說(shuō)的一種微觀(guān)解釋?zhuān)@也是一種直觀(guān)簡(jiǎn)單易于初學(xué)者接受的觀(guān)點(diǎn)。

3 誘生電場(chǎng)說(shuō)

當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷受到洛倫茲力作用后，與晶格不斷碰撞的過(guò)程中產(chǎn)生了側(cè)向漂移，結(jié)果在導(dǎo)體的一側(cè)堆積負(fù)電荷，導(dǎo)體的另一側(cè)因缺乏電子而形成正電荷層，于是導(dǎo)體兩側(cè)間便誘生出一電場(chǎng)--霍爾電場(chǎng)，［4］［5］如圖2所示?；魻栯妶?chǎng)的出現(xiàn)將會(huì)阻礙自由電子的側(cè)向漂移，電場(chǎng)力與洛侖茲力作用反向，當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力大小相等時(shí)達(dá)到平衡，即F洛=-F-電。平衡過(guò)程瞬間就可以完成，此時(shí)自由電子便處于以速度為v的穩(wěn)定定向移動(dòng)狀態(tài)，不再發(fā)生側(cè)向漂移，也就不再與晶格發(fā)生徑向碰撞傳遞動(dòng)量。按照這種觀(guān)點(diǎn)，碰撞說(shuō)是不正確的，因?yàn)樗耆珱](méi)有考慮霍爾效應(yīng)的存在。此時(shí)晶格中的正電荷也會(huì)受霍爾電場(chǎng)力的作用，這些正電荷所受霍爾電場(chǎng)力的合力的宏觀(guān)效果正是導(dǎo)體所受的安培力。

因?yàn)橐欢螌?dǎo)體中正電荷數(shù)等于自由電子數(shù)，所以導(dǎo)體中正電荷所受霍爾電場(chǎng)力的合力與自由電子所受霍爾電場(chǎng)力的合力大小相等，方向相反，即F+電=-F-電；又因?yàn)镕洛=-F-電，所以，F(xiàn)+電=F洛。因此安培力無(wú)論在數(shù)值上還是方向上都與自由電子所受洛倫茲力的合力相同，即F安=F洛合。

4 結(jié)論

(1) 導(dǎo)體所受安培力在本質(zhì)上是金屬晶格中正電荷所受誘生電場(chǎng)力的宏觀(guān)表現(xiàn)，而不是導(dǎo)體中自由電子所受洛倫茲力的宏觀(guān)表現(xiàn)，但安培力起因于洛倫茲力；

(2) 穩(wěn)定后導(dǎo)體中的自由電子無(wú)側(cè)向漂移，自由電子也不再與晶格發(fā)生徑向碰撞傳遞動(dòng)量； 

(3) 安培力在數(shù)值和方向上都與自由電子所受洛倫茲力的合力相同。

參考文獻(xiàn)：

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