撇开感应电流的产生条件,换个角度来思考电流产生的本质原因,上图的闭合电路,哪一部分相对于电源,这个电源的非静电力是何力?电动势为多大?
思考的角度,从已学知识出发,能对“自由电荷”施加的场力只有静电场和引力场,而引力场在这个问题中可以不予考虑,环顾四周,静电场好像也没有藏身之地,形成了思维死结。
引导思考,导体棒运动,回路中就有感应电流,不动则没有,看来是运动导致有了非静电力,而且得是在磁场中运动,是否可以推断得出磁场和运动是产生非静电力的两大因素,再联系磁场的基本性质——对磁体、电流、运动电荷有作用力。磁体、电流又可以排除,运动电荷有点难以想象,热运动是天性,这个天性是无法形成感应电流的,一群乌合之众,效果全部抵消,定向移动就形成了电流,现在就是追究定向运动的原动力,有点死循环的味道。
慢慢捋,导体棒向右切割,这个宏观的定向移动,不是形成电流的定向移动,导体棒中的自由电荷,是被裹挟着向右定向移动的,恰好又处在磁场中,磁场对导体棒中做宏观定向运动的自由电荷就会有洛伦兹力,宏观定向移动无法形成电流,但因宏观定向运动而受到了洛伦兹力,这个洛伦兹力又会导致自由电荷在导体棒内定向移动,这就形成了电流。又走到了力学的老路上,宏观、微观,相互作用和能量观是永恒的主题。
找到使自由电荷在回路中定向移动的真因后,下一个问题,这个电源的电动势如何求解?
何为电动势?反映非静电力做功的本领。数值上等于开路电压。
开路好办,断开就好,回路没电流,导体棒还是电源吗?
闭合只是能检验出导体棒是个电源的角色,不闭合电源的本性还是不变的。
断开回路导体棒向右切割,洛伦兹力还在,自由电荷还会定向移动,没有回路,只能集中,一集中,就达到了改变导体棒上电荷分布的目的,正电荷无法定向移动,只能眼睁睁地看着负电荷自由地移向一端,少了负就显了正,多了负就显了负,正负一分明。不就在导体棒内形成了电场吗?有了电场,对后续的定向移动就产生了阻力。洛伦兹力和电场力一旦达到了一种平衡,导体棒两端的电势差就趋于稳定,开路压就可求解,电动势的大小也就破解了。
寻找导体棒切合磁感线时自由电荷定向移动的动力因,顺藤摸瓜,千回百转,一场推理盛宴,搞定了电动势。结合教材的结论再理解,理解的深度就有很大的不同。
主动去找原因,远胜于被动地告知原因,记忆原因。找到的原因是经过思维的长途跋涉,历经千辛万苦而收获到的。被动告知,好像得来全不费功夫,但失去的也会更快!