我们先来说一下感应电动势。 当通过导体闭合回路的磁通量发生变化时,导体闭合回路中就会产生感应电流。 由于存在感应电动势,电路中就会产生感应电流。 如果电路不闭合,虽然没有感应电流,但电动势仍然存在。 感应电动势的本质是非静电力所做的功。
根据法拉第电磁感应定律,只要磁通量发生变化,就会产生感应电动势。 一种情况是磁场本身发生变化,磁通量也发生变化; 另一种情况是,导线移动切割磁力线并改变线圈的面积,导致磁通量发生变化。 导体在恒定磁场中运动时产生的感应电动势称为动电动势,因磁场本身变化而产生的感应电动势称为感应电动势。 详细参考:
接下来我们详细描述这两个电动势。
1. 动电动势
人民教育出版社选修必修课2
假设线框活动部分的导体杆MN的长度为l法拉第电磁感应定律,以速度v向右移动,此过程中线框的面积变化为: Delta S=lv Delta t
那么通过闭合电路的磁通量变化为: Delta Phi=B Delta S=B lv Delta t 。
根据法拉第电磁感应定律 E=frac{Delta Phi}{Delta t} ,可得出感应电动势:E=B lv 。
如果导线的运动方向垂直于导线本身,但与磁力线方向成θ角,则速度v可以分解为两个分量。 与磁力线平行的分量 v_2=vcos theta 不会切割磁力线,不会产生感应电动势; 只有垂直于磁场线的分量 v_2=vsin theta 会切割磁场线。 因此,产生的感应电动势为:E=B lv sin theta。
此外,我们可以认为动电动势是由洛伦兹力引起的。 如图所示,当导体以速度v向右运动时,导体中的自由电子也跟着它以速度v向右运动。根据洛伦兹力公式,自由电子所受的洛伦兹力为: {F}=-e({v} times {B})
我们前面说过,感应电动势的本质是非静电力所做的功。 对于动电动势,非静电力是作用于单位正电荷的洛伦兹力: {K}=frac{{F}}{-e}={v} times { B }。 这里{K}代表非静电力。
那么感应电动势可表示为: {E}=int_{C}^{D} {K} cdot {d} {l}=int_{C}^{D}( {v} times {B}) cdot {d} {l} 。
上例中,计算出{E}=B lv sin theta,与之前基于环路磁通变化的计算相同。
动态电动势最典型的例子之一是交流发电机。 参考:宇宙之旅:交流发电机
2.感应电动势
感应电动势与导体的类型和性质无关,而是由磁场本身变化引起的。 既然我们说过,感应电动势的本质是非静电力所做的功。 那么感应电动势的情况下非静电力是多少呢? 下面我们就来探讨一下这个问题。
考虑一个固定回路L,其表面S以L为界。当外部磁场变化时,产生的感应电动势为: {E}=-frac{{d} Phi}{{d} t} =-frac{{d}}{ {d} t} iint_{(S)} {B} cdot {d} {S}=-frac{{d}}{ {d} t} oint_{(L)} {A} cdot {d} {l}=-oint_{(L)} frac{ {A}}{ t} cdot {d} {l}
第三步利用磁感应强度和磁矢量势之间的转换公式。 {A} 表示磁矢量势。
因此,在感应电动势的情况下,非静电力{K}=-frac{ {A}}{ t} text {。 }
这是怎样的力量? 经过分析,麦克斯韦认为,即使没有导体回路,变化的磁场也会在其周围激发出电场,称为感应电场或涡旋电场,记为{E}_{spin}。 感应电场类似于静电场,并对其中的电荷施加力。 但不同的是,感应电场是由变化的磁场产生的,而静电场是由电荷激发的; 感应电场是闭合的,而静电场是发散的; 感应电场不是保守场法拉第电磁感应定律,而静电场是保守场;
{E}=oint_{(L)} {E}_{text {自旋}} cdot {d} {l}=-frac{{d} Phi}{{d } t}\
可见,这里的{E}_{旋转}正是上述的非静电力{K}。 即{E}_{旋转}=-frac{ {A}}{ t}。
动态电动势的一种应用是电子感应加速器。
参考人民教育出版社普通高中物理选修必修课2 赵凯华,陈希谋。 新概念物理教程。 电磁学——第二版[M]. 高等教育出版社,2006。