我們先來說一下感應電動勢。 當通過導體閉合回路的磁通量發生變化時,導體閉合回路中就會產生感應電流。 由于存在感應電動勢,電路中就會產生感應電流。 如果電路不閉合,雖然沒有感應電流,但電動勢仍然存在。 感應電動勢的本質是非靜電力所做的功。
根據法拉第電磁感應定律,只要磁通量發生變化,就會產生感應電動勢。 一種情況是磁場本身發生變化,磁通量也發生變化; 另一種情況是,導線移動切割磁力線并改變線圈的面積,導致磁通量發生變化。 導體在恒定磁場中運動時產生的感應電動勢稱為動電動勢,因磁場本身變化而產生的感應電動勢稱為感應電動勢。 詳細參考:
接下來我們詳細描述這兩個電動勢。
1. 動電動勢
人民教育出版社選修必修課2
假設線框活動部分的導體桿MN的長度為l法拉第電磁感應定律,以速度v向右移動,此過程中線框的面積變化為: Delta S=lv Delta t
那么通過閉合電路的磁通量變化為: Delta Phi=B Delta S=B lv Delta t 。
根據法拉第電磁感應定律 E=frac{Delta Phi}{Delta t} ,可得出感應電動勢:E=B lv 。
如果導線的運動方向垂直于導線本身,但與磁力線方向成θ角,則速度v可以分解為兩個分量。 與磁力線平行的分量 v_2=vcos theta 不會切割磁力線,不會產生感應電動勢; 只有垂直于磁場線的分量 v_2=vsin theta 會切割磁場線。 因此,產生的感應電動勢為:E=B lv sin theta。
此外,我們可以認為動電動勢是由洛倫茲力引起的。 如圖所示,當導體以速度v向右運動時,導體中的自由電子也跟著它以速度v向右運動。根據洛倫茲力公式,自由電子所受的洛倫茲力為: {F}=-e({v} times {B})
我們前面說過,感應電動勢的本質是非靜電力所做的功。 對于動電動勢,非靜電力是作用于單位正電荷的洛倫茲力: {K}=frac{{F}}{-e}={v} times { B }。 這里{K}代表非靜電力。
那么感應電動勢可表示為: {E}=int_{C}^{D} {K} cdot txrzbvzd {l}=int_{C}^{D}( {v} times {B}) cdot txrzbvzd {l} 。
上例中,計算出{E}=B lv sin theta,與之前基于環路磁通變化的計算相同。
動態電動勢最典型的例子之一是交流發電機。 參考:宇宙之旅:交流發電機
2.感應電動勢
感應電動勢與導體的類型和性質無關,而是由磁場本身變化引起的。 既然我們說過,感應電動勢的本質是非靜電力所做的功。 那么感應電動勢的情況下非靜電力是多少呢? 下面我們就來探討一下這個問題。
考慮一個固定回路L,其表面S以L為界。當外部磁場變化時,產生的感應電動勢為: {E}=-frac{txrzbvzd Phi}{txrzbvzd t} =-frac{txrzbvzd}{ txrzbvzd t} iint_{(S)} {B} cdot txrzbvzd {S}=-frac{txrzbvzd}{ txrzbvzd t} oint_{(L)} {A} cdot txrzbvzd {l}=-oint_{(L)} frac{ {A}}{ t} cdot txrzbvzd {l}
第三步利用磁感應強度和磁矢量勢之間的轉換公式。 {A} 表示磁矢量勢。
因此,在感應電動勢的情況下,非靜電力{K}=-frac{ {A}}{ t} text {。 }
這是怎樣的力量? 經過分析,麥克斯韋認為,即使沒有導體回路,變化的磁場也會在其周圍激發出電場,稱為感應電場或渦旋電場,記為{E}_{spin}。 感應電場類似于靜電場,并對其中的電荷施加力。 但不同的是,感應電場是由變化的磁場產生的,而靜電場是由電荷激發的; 感應電場是閉合的,而靜電場是發散的; 感應電場不是保守場法拉第電磁感應定律,而靜電場是保守場;
{E}=oint_{(L)} {E}_{text {自旋}} cdot txrzbvzd {l}=-frac{txrzbvzd Phi}{{d } t}\
可見,這里的{E}_{旋轉}正是上述的非靜電力{K}。 即{E}_{旋轉}=-frac{ {A}}{ t}。
動態電動勢的一種應用是電子感應加速器。
參考人民教育出版社普通高中物理選修必修課2 趙凱華,陳希謀。 新概念物理教程。 電磁學——第二版[M]. 高等教育出版社,2006。