关于不同电场中电动势的意义的探讨

    摘要：通过对非静电力和电动势的讨论，从而说明在不同电路中，电动势所代表的意义不同，所起的作用不同。

   关键词：非静电力  电动势  电场

    0 引言
    电动势是静电学里的重要物理概念，在本文中着重讨论非静电力和电动势的意义，说明不同电路中电动势所起的作用也不一样。

    1 非静电力概念

    1.1 静电平衡状态中的非静电力。导体静电平衡的必要条件是导体内部宏观点的场强应该处处为零。但必须特别注意，只有在导体内部的电荷不受任何非静电力的作用时才是如此。否则，导体内场强不是处处为零的。例如，一金属AB，在均匀磁场中作匀速运动，运动方向和磁场方向（×表示B垂直纸面向里），金属棒内的自由电子受到洛仑兹力的作用，而堆积在B端，使B端带负电，A端带正电。于是AB间产生静电场。当作用于自由电子的静电场力与洛仑兹力平衡时，此金属棒（仍以V作匀速运动）才处于静电平衡状态,导体内不再有电荷相对于导体作宏观运动。这时，导体内部的静电场并不为零。

    稍后，将分析化学电池的内、外电路中的电场。我们确信，当化学电池断路时，两极各带正、负电荷，电池系数处于静电平衡，在电池内部，作用于电荷的静电力与非静电力平衡，合力为零，但电池内部的静电场强并不处处为零。

    1.2 稳恒电路中的非静电力。由安培定理知道：纯静电系统的平衡是不稳定的，放电电流也是不稳定的。要获得稳定的电流，在系统内必须同时有非静电力对电荷的作用存在。

    已充电的平行板电容器与电阻R连接成回路，放电电流是非稳恒的，电容器的静电能量转换成电流通过R时的焦耳热，而且能量很快释放完毕，于是电流停止，电容器A，B极板上的正负电荷完全中和，欲使回路中的电流稳恒，根据稳恒电流必须满足的条件在回路中任作一闭合曲面，其内的电荷对时间的变化率成为零，也可以说回路中处处的电荷分布不随时间变化，但电荷可以移动。因而我们设想，带正电的A板与带负电的B板之间存在着某种外来的非静电力，它反抗A，B板间的静电力，及时地从B板取走正电荷，使B板失去正电荷而获得等量的负电荷，恰好补偿了B板在放电过程中损失的负电荷，使B板的电荷分布不随时间变化。同时，非静电力把从B板取走的正电荷及时地传给了A板，使A板在放电过程中的电荷分布也不随时间变化。这样可以使这个含有非静电力的回路保持稳恒电流。非静电力在B板取走正电荷，并反抗AB板间的静电力把正电荷传递给A板所做的功，转化成了回路中稳恒电流释放的电能以及形成稳恒电流的初始暂态过程中，回路所积聚的磁场能。具有这种非静电力的能源装置，我们称它为电源。

    1.3 非静电力的物理本质。我们讨论一些常见的电源内出现的非静电力。如导体在稳定的磁场中作切割磁感应线的运动，导体中自由电子所受到的非静电力是洛仑兹力（磁场对运动电荷的作用力）；导体在变化着的磁场产生的感生电场（不具有位场性质，是一非静电的电场）力；导体在变化着的磁场中运动，自由电子所受到的非静电力，既有洛仑兹力，又有感生电场力；如果性质不均匀，如化学性质不均匀（化学电池），物理性质不均匀（温差电池等），电池内的电荷可以宏观迁移，伴随有能量的传换。所有这些都可以归结为非静电力的作用。

    在化学电池中，金属与电解质相接触的地方，导体的化学性质就不均匀。由于化学作用，发生电荷的宏观迁移，化学能转换成电能。我们可以说，这是由于某种“化学力”的作用所致，这种化学力便是非静电力。由此可见，非静电力可以有许多不同原因产生，各自的物理本质也不相同。洛仑兹力、感生电场力等非静电力是一种有质动力，或者说是真实的力，而“化学力”这种非静电力则是唯象的，是与力等效的作用，这些力并非来源于静电荷，它们不遵守库仑定律，但又可使电荷运动，故统称为非静电力。

从场的观点看，直接与电荷相作用的是电场力，因此作用于电荷的非静电力，也可以归结为一种非静电起源的电场作用，从而引入了非静电起源的电场（简称非静电场）这一概念。感生电场是一种非静电场，但是感生电场是一种真实的电场，由于它与静电场的性质不相同故称为非静电场（非位场），其它，如洛仑兹力，化学力等作为一种非静电力而言，都是一种等效的电场力，特别强调的是，不管非静电场（力）是真实的感生电场（力）或等效电场（力），非静电场（力）的主要物理性质是非保守场（力）。非静电场强的线积分与积分路径有关。

    2 电动势概念
    我们把如图2所示的A,B两板看成是化学电池的正负电极，电极间存在的非静电力是一种化学力，于是这个装置就是化学电池。在电池内非静电力对电荷作功，使A,B电位差保持不变，则此回路中的电流是稳恒的。

不同电源内非静电场对单位正电荷做功的能力不同，故引入电动势概念来表征电源具有的这一基本性质。

    2.1 电动势的定义。在一般电磁学书中，电动势的定义有以下几种：

    2.1.1 《PSSC物理》给电动势的定义是：“电源内部单位正电荷从负极到正极获得的能量”。这种定义未引入非静电力概念，但反映了电动势概念主要的物理特点，把电动势与电压、电位等物理量内在地联系起来，在初等物理学中使用这种定义，学生易于理解，也便于与大学课程衔接。

    2.1.2 福里斯、季莫列娃合编的《普通物理学》中说：“绕电路一周时，电位跃变的代数和叫做电路中的电动势”。这种定义也未引入非静电力概念。除化学电池外，其它非静电力作用不能引起电位跃变，此定义不适用。例如图3所示，金属棒中AB在磁场中绕棒的一端B旋转，洛仑兹力推动AB间的电荷运动而产生电荷及电位的某种分布，就不是一种跃变。因此，这种定义没有反映所有电源的共同特征，未突出电动势的本质，现已不被人们采用。

    2.1.3 目前较流行的电源电动势的定义是：电源的电动势是单位正电荷从负极经电源内部移到正极时非静电所做的功。

    式中为电源电动势，A为正电荷q从负极经电源内部移到正极时非静电场力所做的功。对整个闭合回路而言即单位正电荷环绕闭合回路一周，非静电场力所做的功称为电动势。

参考文献：
[1]赵凯华，陈熙谋，电磁学 [M]北京：高等教育出版社，1999
刘克哲，物理学[M]，北京：高等教育出版社，1987。