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        對感生電動勢與動生電動勢的認(rèn)識及研究

        2018-06-05 02:28:50
        關(guān)鍵詞:金屬棒洛倫茲感應(yīng)電流

        (江蘇省天一中學(xué)高三1班 江蘇無錫 214101)

        在高中物理學(xué)習(xí)中,我們了解到磁場是變化的,且它周圍存在感生電場,而電場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,最終產(chǎn)生感應(yīng)電流,這就是導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢。

        一、感生電動勢與動生電動勢之間存在本質(zhì)區(qū)別

        我們在學(xué)習(xí)感應(yīng)電流過程中,必須首先了解感生電動勢與動生電動勢二者之間的本質(zhì)區(qū)別。在物理教材內(nèi)容中如此解釋“如果感應(yīng)電動勢是由感生電場產(chǎn)生的,它就應(yīng)該叫做‘感生電動勢’。其中感生電動勢的本質(zhì)就是產(chǎn)生渦旋電場,而渦旋電場會產(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)生電勢差。相比較而言動生電動勢則是由洛倫茲力來充當(dāng)非靜電力的,它同樣使導(dǎo)體中的電荷向兩端積累產(chǎn)生電勢差。在學(xué)習(xí)過程中,也發(fā)現(xiàn)磁通量變化主要由磁場變化所引起,實際上這樣的磁場應(yīng)該是最穩(wěn)定的,但是它始終處于運(yùn)動狀態(tài)??紤]到磁場運(yùn)動會導(dǎo)致線框切割磁感線,所以線框中的自由電荷一定會因為受到洛倫茲力而發(fā)生定向移動最終形成感應(yīng)電流。

        二、感生電動勢與動生電動勢的分別應(yīng)用

        在了解了感生電動勢與動生電動勢二者區(qū)別以后,就要對二者的分別應(yīng)用進(jìn)行分析,要重點了解感生電場與感生電動勢,以及洛倫茲力與動生電動勢在實際習(xí)題應(yīng)用中的實際表現(xiàn)。

        1.感生電場與感生電動勢的習(xí)題應(yīng)用分析

        如果存在一個半徑為r的絕緣細(xì)圓環(huán),將其水平放置,其中環(huán)內(nèi)會存在豎向向上的勻強(qiáng)磁場B。在絕緣細(xì)圓環(huán)上套上一個電荷量為+q的小球,就可知勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B會隨時間均勻增強(qiáng),它的變化率應(yīng)該為k。如果小球在環(huán)上運(yùn)動一周,求解感生電場對小球的作用力所做功應(yīng)該是多少。

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

        而此時電場力會同時做功,得到:

        小球在絕緣細(xì)圓環(huán)上運(yùn)動一周所做的功應(yīng)該表示為:

        2.洛倫茲力與動生電動勢的習(xí)題應(yīng)用分析

        我們在學(xué)習(xí)動生電動勢過程中一定會接觸到洛倫茲力,對于一般導(dǎo)體來說,當(dāng)它做切割磁感線運(yùn)動過程中導(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可以視為是導(dǎo)體內(nèi)部無數(shù)電子同時做定向運(yùn)動,它們在磁場中由于受到沿棒向洛倫茲力作用,最終產(chǎn)生動生電動勢。

        圖1 洛倫茲力作用產(chǎn)生動生電動勢示意圖

        如圖1,我們看到磁場沿著棒向下產(chǎn)生洛倫茲力作用,電子會向D端逐漸聚集積累,但實際上棒本身是不帶電、顯示電中性的,這是因為電子已經(jīng)全部轉(zhuǎn)移走,C端則會自然帶上等量的正電荷。

        通過這道習(xí)題我們可以學(xué)習(xí)到,如果電荷移動,習(xí)題中的棒內(nèi)一定會形成一個附加電場,該電場與電荷移動方向完全相反,一定程度上也會阻礙電荷的轉(zhuǎn)移過程,最終促成電荷移動的平衡狀態(tài)。當(dāng)電荷不再移動以后,我們要繼續(xù)通過右手定則來判斷圖1中C端電勢高,它應(yīng)該與電源正極D端電勢相反方向,充當(dāng)導(dǎo)體電源負(fù)極。

        同理,我們來分析另一種情況。某豎直向下的勻強(qiáng)磁場,如果將某一水平放置的金屬棒a b以水平初速度v0拋出,假設(shè)整個過程中金屬棒的取向不變,同時也不計空氣阻力,那么金屬棒的在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,對其大小變化情況的判斷應(yīng)該從金屬棒運(yùn)動方面展開分析。金屬棒是做平拋運(yùn)動的,它在豎直方向方面做自由落體運(yùn)動,速度由重力影響不斷增大,但不會切割磁感線。而它在水平方向則做勻速運(yùn)動,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勢大小變化為保持不變[1]。

        3.感生電動勢與動生電動勢的綜合習(xí)題應(yīng)用分析

        在分別了解感生電動勢與動生電動勢的相關(guān)習(xí)題應(yīng)用以后,我們在學(xué)習(xí)過程中還要了解二者的綜合應(yīng)用,做到知識學(xué)習(xí)融會貫通。這里給出一道同時擁有兩種概念的習(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)磁場中,金屬棒a b在金屬框架上并做無摩擦滑動運(yùn)動。已知金屬棒電阻為r,其余部分電阻忽略不計。如果最開始時磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0,從t=0時刻開始計起,磁感應(yīng)強(qiáng)度會越來越小。如果金屬棒能夠始終保持恒定速度v向一邊勻速運(yùn)動,則金屬棒中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流,那么此時磁感應(yīng)強(qiáng)度是怎樣隨時間變化的?

        這道題目實際上就是在提問我們?nèi)绾伪硎敬鸥袘?yīng)強(qiáng)度B0與時間t之間關(guān)系。首先,我們分析得到實際金屬棒是不產(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B0始終在變化,同時金屬棒在切割磁感線時也導(dǎo)致勻強(qiáng)磁場發(fā)生變化。此時可以判斷動生電動勢與感生電動勢二者大小相等,但方向相反。但是我們依然不知道的是該磁場是否處于均勻變化狀態(tài),如果不是均勻變化狀態(tài),就無法準(zhǔn)確表達(dá)感生電動勢,最終導(dǎo)致答案錯誤。正確的做法是在了解其不產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況下,可判斷總電動勢應(yīng)該為0,結(jié)合電動勢是磁通量導(dǎo)數(shù)這一感應(yīng)電流理論,逆向分析實際上磁通量應(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)度與時間t之間關(guān)系應(yīng)該為:

        得出結(jié)論B0不會隨時間均勻變化[2]。

        結(jié)語

        通過上述一系列論述分析,可以見得電磁感應(yīng)的確存在一定復(fù)雜性,我們要在學(xué)習(xí)過程中正確理解其中感生電動勢與動生電動勢之間的區(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。

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

        [2]周耀虎.感生電動勢與動生電動勢的理解與應(yīng)用[J].物理通報,2016(z2):99-101.

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