錢(qián)婷婷

摘? ?要：導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體棒就是電源。那么，電源中非靜電力究竟是什么力？為什么導(dǎo)體棒克服安培力做了多少功，閉合導(dǎo)體回路就產(chǎn)生了多少電能？文章將從導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)的微觀本質(zhì)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì);非靜電力;洛倫茲力;安培力;微觀本質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）9-0043-2

1? ? 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力

如圖1所示，導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上以速度v1運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，導(dǎo)體棒上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E（動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)）。由于導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌構(gòu)成了閉合導(dǎo)體回路，所以回路中有電流I。從微觀角度來(lái)看，是導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷發(fā)生了定向移動(dòng)。假設(shè)棒內(nèi)的自由電荷帶正電，每個(gè)自由電荷的電量為q，它們定向移動(dòng)的速率為v2。那么導(dǎo)體棒內(nèi)的自由電荷們同時(shí)參與了兩種運(yùn)動(dòng)：一種是隨棒運(yùn)動(dòng)，速率為v1;另一種是發(fā)生定向移動(dòng)，速率為v2。

因此，導(dǎo)體棒中的自由電荷q以速率v1在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而受洛倫茲力f1=qv1B，方向與v1垂直。洛倫茲力f1把導(dǎo)體棒bc段中的自由電荷由b端搬到c端，導(dǎo)體棒上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。所以，洛倫茲力f1正是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力。

2? ? 洛倫茲力不做功的微觀原因

可以看到自由電荷所受的洛倫茲力總與速度垂直，洛倫茲力永不做功。

另一方面，在任意Δt時(shí)間內(nèi)，f1對(duì)自由電荷做正功為：

f2對(duì)自由電荷做負(fù)功為：

3? ? 安培力產(chǎn)生的微觀本質(zhì)

導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上向右以速率v1在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，它與導(dǎo)軌構(gòu)成閉合回路，回路中有順時(shí)針的感應(yīng)電流I。同時(shí)，因?qū)w棒bc段上有電流I通過(guò)，導(dǎo)體棒bc段受到水平向左的安培力F。事實(shí)上安培力F是bc段所有自由電荷受到的f2的合力，下面來(lái)證明一下。

設(shè)導(dǎo)體棒bc段橫截面積為S，總的自由電荷數(shù)為N，單位體積內(nèi)自由電荷數(shù)為n，則N=nSL。導(dǎo)體棒受到的安培力F=Nqv2B=nSLqv2B，再結(jié)合電流的微觀表達(dá)式I=nqSv2，得F=BIL。這也與教材中安培力的公式一致。

4? ? 克服安培力做功等于回路中產(chǎn)生的電能

由此可以得到，當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，回路中產(chǎn)生的電能等于導(dǎo)體棒克服安培力所做的功。

本文從微觀角度討論了高中物理中導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)這一典型的電磁學(xué)現(xiàn)象。通過(guò)推理和分析，揭示了關(guān)于導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)的四個(gè)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，這些都與教材中的法拉第電磁感應(yīng)定律相符。對(duì)這些微觀機(jī)制的剖析和理解，有助于提高教師和學(xué)生對(duì)此部分知識(shí)的教學(xué)和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳慶華.為什么克服安培力做功等于動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電能？[J]. 湖南中學(xué)物理，2017（4）：72.

（欄目編輯? ? 陳? ?潔）