最后修改：2024.3.11
电路理论中，用电势和电势差（电压）描述静电力，用电动势描述非静电力。在发电机中，洛伦兹力和感生电场力称为非静电力。在电感器中，感生电场力称为非静电力。化学电池中也有非静电力①。一个闭合电路中可以有一个或多个存在非静电力的装置。电动势的绝对值是非静电力对单位运动电荷所做功的绝对值。
描述恒定电流时，电动势总是正的，不讨论电动势的方向。描述交流电路时，电动势是正的还是负的，并讨论电动势的方向。但中学教科书中并没有对电动势的正负值和方向进行正式定义。
标题的问题不难回答，电动势不一定和电流方向一致，也不一定从低电位指向高电位。结合图1至图6所示的情况就很容易看出。图6中，外加磁场垂直于纸面，向外变化，线圈内产生感应电流。整个线圈可以看成是一个电源或者电感，每段电阻为内阻，各点电位相等。
关于电动势的方向，下列四个命题都是正确的：
在这些命题中，只有命题4可以作为电动势方向的普遍定义。
电动势的方向和符号
在直流电路中，电动势的方向是用图形符号直接表示的。电动势的方向是已知的，习惯上不以电动势值的正负符号来表示电源电动势的方向。在直流电路中，无论电源处于放电状态还是充电状态，电源的电动势总是正的。
在交流电路中，各电源及电感器的电动势方向随时间而变化，电动势的正负号表示电动势的方向。规定一个方向为“电动势正方向”，方向相同的电动势取正值，方向相反的电动势取负值。正值表示与正方向相同的方向电流的方向，负值表示与正方向相反的方向。
处理直流电路时，需要选取电流正方向；处理交流电路时，需要选取电流正方向和电动势正方向。不管是直流还是交流，在应用基尔霍夫电压方程时，还需要选取“绕行方向”。这些方向是相互独立的，原则上可以任意选取。其实电动势正方向和电流正方向一致，这是默认的选择，以至于很多计算过程都没有提到电动势正方向。
法拉第电磁感应定律中的负号
我们先来思考一下磁通量的定义。线圈所在平面的法线是一条垂直于线圈的直线，法线有两个方向，一个定义为正方向，一个定义为负方向。沿法线正方向的磁感应强度为正，沿法线负方向的磁感应强度为负。把沿法线和平行于平面方向的磁感应强度分解，将沿法线方向的磁感应强度分量乘以面积，就得到了磁通量。这样，磁通量就有正负号了，磁通量的变化率也有正负号了。
另外，一致认为感应电流的正方向与感应电动势的正方向一致，感应电流的正方向与法线的正方向满足右手螺旋定则。这样，法拉第电磁感应定律可以写成：
= -△Φ/△t
或者
= -dΦ/dt
式中的负号表示感应电动势与磁通变化率的符号相反，可以计算出感应电动势的符号和方向。
磁通量有方向吗？
从上面的叙述可以看出，磁通量的方向是没必要的，很多电磁学教科书都没有定义磁通量的方向。
但是，也有一些教科书在使用“磁通方向”这个术语时，会相应地使用“磁通正方向”这个术语。磁通方向大致是指磁感应强度的方向。对于某个线圈，磁通量（标量）可能的方向只有两个，而磁感应强度（矢量）可能的方向则是三维空间中的任意方向。因此，我们不能简单地说“磁通方向是指磁感应强度的方向”，要严格表达，需要使用复合句。使用“磁通方向”这个术语的作者追求通俗化，所以不会花费篇幅来严格定义磁通方向。即使定义了磁通方向和磁通变化率，也不能说“感应电动势与磁通变化率的方向相反”。使用“磁通方向”这个术语弊大于利。
一个例子
图5中，某一时刻，理想电感器上的电位差Uab>0。问题：（1）电感器电动势指向哪个方向？（2）电感器电动势是正还是负？（3）Uab与电感器电动势之间有什么关系？（4）Uab的绝对值与电感器电动势的绝对值之间有什么关系？
解答：（1）Uab>0，即电感线圈中的静电场对沿螺旋线向右运动的正电荷做正功。定向运动电荷的动能不是不断增加的。因此，电感线圈中的非静电力应对向右运动的正电荷做负功。根据命题4，电感线圈中的电动势方向为向左。
（2）若方向向右，电感器电动势为正，则电感器电动势为负。若方向向左，电感器电动势为正，则电感器电动势为正。
（3）若方向为右，电感电动势为正，则Uab=-；若方向为左，则Uab=+。利用这两个公式可以得到上一节的结果，初步验证了它们的正确性。
（4）电位差与电动势的绝对值相等。此结论适用于任何电感元件与零电阻的电源②。
可以使用的电动势定义
命题5：非静电力对沿路径ab运动的单位正电荷所做的功，叫做路径ab上的电动势ab。
对于交流电源、电感器和可充电直流电源，ab = -ba。这里，路径 ab 和 ba 重合，但方向不同。
Uab下标中的两个字母表示两个位置，ab下标中的两个字母表示一条路径。
如果把命题5作为电动势的定义（或者只作为交流电路中电动势的定义），那么就没有必要定义电动势的方向，也没有必要说明电动势的正负符号。我们欣喜地看到，文献[1]在介绍变压器原理时，采用了ab表示法贝语网校，本质上就是命题5的用法。不过书中只是偶尔用，不是很多地方都用，大概是为了符合习惯吧。
笔记
①在锌铜电池中电流的方向，溶液中的硫酸根离子拖动锌电极上锌原子中的锌离子进入溶液，锌电极成为负极。铜电极拖动溶液中的铜离子向自身方向移动，铜电极成为正极。这两种作用于正离子的力都是从负极指向正极的，称为非静电力。
②如果设备阻力不为零，或设备内有电动机，情况就比较复杂，除了静电力、非静电力做功外，还有其他力在做功。
参考
[1]赵开华,陈希谋.新概念物理教程:电磁学[M].第2版.高等教育出版社,2006.注173条,366页。
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