從本質上區分動生電動勢與感生電動勢

穿過導體回路所圍面積的磁通量發生變化時，在導體回路中產生感生電動勢。根據引起磁通量變化的方式不同，可以將感應電動勢分為動生電動勢和感生電動勢。在我們教材中是這樣定義兩者的：

動生電動勢：磁場不隨時間變化而導體回路的整體或局部在運動所產生的感應電動勢。

感生電動勢：導體所圍回路面積不變而磁場隨時間變化所產生的感應電動勢。

從動生電動勢和感生電動勢的定義出發，我們可以判定由于穿過導體回路所圍面積的磁通量發生變化，在回路中產生的感應電動勢是動生電動勢還是感生電動勢。但筆者認為單純從定義出發來判定兩者不太科學，并且有時候可能會出現模棱兩可的結論。下面通過一個比較熟悉的例子來說明：

例1 如下圖所示，在一無限長載流直導線附近有一與之平行的金屬導體棒AB。棒以速度 沿垂直于載流直導線的方向運動。在運動過程中，金屬導體棒中產生了感應電動勢。此感應電動勢是動生電動勢還是感生電動勢？我們不妨根據兩者定義這一角度來分析一下。

首先，讓無限長載流直導線相對于地面靜止不動，這樣它激發產生的磁場是不隨時間變化的穩恒磁場。導體棒AB在磁場中運動產生的感應電動勢為動生電動勢。然后，讓導體棒AB相對于地面靜止不動，這樣無限長載流直導線以速度（-）向左運動。在金屬導體棒AB所處位置，由載流直導線所產生的磁場在發生變化，而導體棒沒有運動。依據定義，可以判定在導體棒上又產生了感生電動勢。

例2 如下圖所示，條形磁鐵以相對于導體環的速度插入之，由于穿過導體環的磁通量發生了變化，導體環中必產生感應電動勢，閉合回路中產生感應電流。導體環中的感應電動勢是動生電動勢還是感生電動勢？我們不妨分析一下：



如果讓導體環相對于地面靜止。這樣，由于條形磁鐵的插入，通過導體環所在位置的磁感應強度發生變化，那么依定義可得出導體環中產生的感應電動勢應該是感生電動勢；如果讓條形磁鐵相對于地面靜止，此時，我們可視條形磁鐵產生的磁場為穩恒磁場，不隨時間發生變化，而導體環以速度（-）套入條形磁鐵中。其實驗結果和前者并非不一樣，可是，由于這時不變，而導體所圍回路在\"動\"，由定義可得，導體環中產生的感應電動勢應該是動生電動勢。

以上兩例說明，依照定義來判定感應電動勢的屬性，主要看導體是否在運動。由于導體的運動與否取決于參考系的選取，因此運動導體中產生的感應電動勢的屬性與參考系的選取有直接的關系，從而得出模棱兩可的結論。這樣學生不容易區分感應電動勢的屬性，很可能造成混亂。雖然，上面這兩個例子并不具有一般性，不能代表所有電磁感應現象的事例。但是通過這樣兩個例子足以說明問題：我們不能單純的從定義來看產生的感應電動勢是動生電動勢還是感生電動勢，筆者認為應該從動生電動勢和感生電動勢本質來區分兩者。下面我們詳細地闡述一下兩者的本質。

動生電動勢的本質：如下圖所示，導體棒AB垂直置與磁場中，并沿垂直于導線的方向在圖示平面內，以速度勻速向右運動。導體內所有自由移動的電子將隨導體棒AB一起向右運動，自由電子受到磁場洛倫茲力的作用。洛倫茲力的大小為fm=evB ，方向由B指向A。

在洛倫茲力的作用下，自由電子由B向A運動，在導體棒的下端發生積累，于是A端帶負電，B端由于失去電子而帶正電。隨著正負電荷在導體棒兩端的積累，導體棒內出現了由B指向A端的電場。因此，導體棒內的電子同時受到向下的洛倫茲力和向上的電場力的作用。當導體棒兩端的電荷積累到一定程度時，自由電子受到的洛倫茲力和電場力達到平衡，導體內的自由電子不再因導體棒的移動而發生宏觀移動，導體內電荷分布穩定，導體兩端形成恒定的電勢差。

若導體棒AB兩端與固定不動的導線連接構成回路時，回路中便出現感應電流，導體棒AB兩端所積累的電荷將減少，原來的平衡被破壞，于是洛倫茲力又使自由電子從B端沿導體內部流向A端，使AB兩端的電荷不斷得到補充，從而使導體棒兩端的電勢差保持恒定，維持回路中的電流不斷。由此得到：產生動生電動勢的非靜電力就是由洛倫茲力。

既然產生動生電動勢的非靜電力是洛倫茲力，那么產生感生電動勢的非靜電力是什么樣的力？麥克斯韋指出：產生感生電動勢的非靜電力是感生電場力（或稱為渦旋電場力）。

由于洛倫茲力和感生電場力是兩種性質截然不同的，有著比較明顯區別和界限的力，因而，以它們為依據來判定感應電動勢的屬性，區別動生電動勢和感生電動勢就會變得比較明了，不會出現模棱兩可的結論。下面，我們先著重強度一下洛倫茲力和感生電場力的主要區別：

洛倫茲力：運動電荷在磁場中受到的力。其特點是：洛倫茲力只能作用于相對于磁場運動的電荷。以洛倫茲力作為非靜電力而產生的感應電動勢，導體必須\"切割\"磁力線。

感生電場力：由變化的磁場激發產生的感生電場即渦旋電場施于置于場中的電荷的力。其特點是：電荷可以相對于電場靜止，它受力只是因為它帶電。

另外，形成感生電場力的渦旋電場是由變化的磁場激發的，由此，在穩恒磁場中不會產生感生電場力；而形成洛倫茲力的磁場可以是穩恒的。產生洛倫茲力，導體必須\"切割\"磁力線；產生感生電場力，導體可以不\"切割\"磁力線。

知道了動生電動勢和感生電動勢的本質區別，下面我們再來分析上面提到的兩個例子。

例1中導體棒相對于磁場作\"切割\"磁力線運動，導體中所有的自由電子由于相對磁場運動而受到洛倫茲力，形成的感應電動勢自然是動生電動勢。在此過程，自由電子沒有受到感生電場力，因此，也就不會產生感生電動勢。

例2中，條形磁鐵相對于導體環運動時，導體環中每一段都在\"切割\"磁力線，導體環中的自由電子受到洛倫茲力，形成的感應電動勢也理應是動生電動勢。

再舉一例分析一下，同而證明我們觀點的正確性。

例3 如圖所示，豎直放置的無限長載流直螺旋管通有隨時間變化的電流 ，其中有一水平放置的金屬圓環在沿著豎直方向運動。通過金屬圓環中的磁通量發生了變化，回路中產生了感應電動勢。此感應電動勢是動生電動勢還是感生電動勢或者兩者兼有。下面我們分析一下：

根據定義，由于通過無限長直螺旋管上的電流隨時間在變化，因此在螺旋管中產生的磁場在隨時間變化，穿過金屬圓環的磁通量發生了變化，圓環中產生的感應電動勢應為感生電動勢。另外，金屬圓環在磁場中運動，按照定義，在金屬圓環中同時產生了動生電動勢。但事實并非如此。雖然金屬圓環在向下運動，但是金屬圓環運動的速度方向和無限長直螺旋管中的磁場方向是平行的，所以金屬圓環中自由電荷所受的洛倫茲力為零，也就是說，金屬圓環在運動過程中并沒有受到洛倫茲力。而穿過金屬環的磁通量的變化僅僅是由于無限長直螺旋管中磁場變化引起的，因此，我們說金屬環中的感應電動勢的根本起因是以感生電場力作為非靜電力形成的，所以金屬環中產生的感應電動勢應該是感生電動勢。

通過以上討論：我們可以非常清楚地看到，從動生電動勢和感生電動勢的本質出發來判定導體回路中產生的感應電動勢的屬性是非常正確的，不會出現模棱兩可的結論。

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