摘要：通過對非靜電力和電動勢的討論，從而說明在不同電路中，電動勢所代表的意義不同，所起的作用不同。

   關鍵詞：非靜電力  電動勢  電場

    0 引言
    電動勢是靜電學里的重要物理概念，在本文中著重討論非靜電力和電動勢的意義，說明不同電路中電動勢所起的作用也不一樣。

    1 非靜電力概念

    1.1 靜電平衡狀態中的非靜電力。導體靜電平衡的必要條件是導體內部宏觀點的場強應該處處為零。但必須特別注意，只有在導體內部的電荷不受任何非靜電力的作用時才是如此。否則，導體內場強不是處處為零的。例如，一金屬AB，在均勻磁場中作勻速運動，運動方向和磁場方向（×表示B垂直紙面向里），金屬棒內的自由電子受到洛侖茲力的作用，而堆積在B端，使B端帶負電，A端帶正電。于是AB間產生靜電場。當作用于自由電子的靜電場力與洛侖茲力平衡時，此金屬棒（仍以V作勻速運動）才處于靜電平衡狀態,導體內不再有電荷相對于導體作宏觀運動。這時，導體內部的靜電場并不為零。

    稍后，將分析化學電池的內、外電路中的電場。我們確信，當化學電池斷路時，兩極各帶正、負電荷，電池系數處于靜電平衡，在電池內部，作用于電荷的靜電力與非靜電力平衡，合力為零，但電池內部的靜電場強并不處處為零。

    1.2 穩恒電路中的非靜電力。由安培定理知道：純靜電系統的平衡是不穩定的，放電電流也是不穩定的。要獲得穩定的電流，在系統內必須同時有非靜電力對電荷的作用存在。

    已充電的平行板電容器與電阻R連接成回路，放電電流是非穩恒的，電容器的靜電能量轉換成電流通過R時的焦耳熱，而且能量很快釋放完畢，于是電流停止，電容器A，B極板上的正負電荷完全中和，欲使回路中的電流穩恒，根據穩恒電流必須滿足的條件在回路中任作一閉合曲面，其內的電荷對時間的變化率成為零，也可以說回路中處處的電荷分布不隨時間變化，但電荷可以移動。因而我們設想，帶正電的A板與帶負電的B板之間存在著某種外來的非靜電力，它反抗A，B板間的靜電力，及時地從B板取走正電荷，使B板失去正電荷而獲得等量的負電荷，恰好補償了B板在放電過程中損失的負電荷，使B板的電荷分布不隨時間變化。同時，非靜電力把從B板取走的正電荷及時地傳給了A板，使A板在放電過程中的電荷分布也不隨時間變化。這樣可以使這個含有非靜電力的回路保持穩恒電流。非靜電力在B板取走正電荷，并反抗AB板間的靜電力把正電荷傳遞給A板所做的功，轉化成了回路中穩恒電流釋放的電能以及形成穩恒電流的初始暫態過程中，回路所積聚的磁場能。具有這種非靜電力的能源裝置，我們稱它為電源。

    1.3 非靜電力的物理本質。我們討論一些常見的電源內出現的非靜電力。如導體在穩定的磁場中作切割磁感應線的運動，導體中自由電子所受到的非靜電力是洛侖茲力（磁場對運動電荷的作用力）；導體在變化著的磁場產生的感生電場（不具有位場性質，是一非靜電的電場）力；導體在變化著的磁場中運動，自由電子所受到的非靜電力，既有洛侖茲力，又有感生電場力；如果性質不均勻，如化學性質不均勻（化學電池），物理性質不均勻（溫差電池等），電池內的電荷可以宏觀遷移，伴隨有能量的傳換。所有這些都可以歸結為非靜電力的作用。

    在化學電池中，金屬與電解質相接觸的地方，導體的化學性質就不均勻。由于化學作用，發生電荷的宏觀遷移，化學能轉換成電能。我們可以說，這是由于某種“化學力”的作用所致，這種化學力便是非靜電力。由此可見，非靜電力可以有許多不同原因產生，各自的物理本質也不相同。洛侖茲力、感生電場力等非靜電力是一種有質動力，或者說是真實的力，而“化學力”這種非靜電力則是唯象的，是與力等效的作用，這些力并非來源于靜電荷，它們不遵守庫侖定律，但又可使電荷運動，故統稱為非靜電力。

從場的觀點看，直接與電荷相作用的是電場力，因此作用于電荷的非靜電力，也可以歸結為一種非靜電起源的電場作用，從而引入了非靜電起源的電場（簡稱非靜電場）這一概念。感生電場是一種非靜電場，但是感生電場是一種真實的電場，由于它與靜電場的性質不相同故稱為非靜電場（非位場），其它，如洛侖茲力，化學力等作為一種非靜電力而言，都是一種等效的電場力，特別強調的是，不管非靜電場（力）是真實的感生電場（力）或等效電場（力），非靜電場（力）的主要物理性質是非保守場（力）。非靜電場強的線積分與積分路徑有關。

    2 電動勢概念
    我們把如圖2所示的A,B兩板看成是化學電池的正負電極，電極間存在的非靜電力是一種化學力，于是這個裝置就是化學電池。在電池內非靜電力對電荷作功，使A,B電位差保持不變，則此回路中的電流是穩恒的。

不同電源內非靜電場對單位正電荷做功的能力不同，故引入電動勢概念來表征電源具有的這一基本性質。

    2.1 電動勢的定義。在一般電磁學書中，電動勢的定義有以下幾種：

    2.1.1 《PSSC物理》給電動勢的定義是：“電源內部單位正電荷從負極到正極獲得的能量”。這種定義未引入非靜電力概念，但反映了電動勢概念主要的物理特點，把電動勢與電壓、電位等物理量內在地聯系起來，在初等物理學中使用這種定義，學生易于理解，也便于與大學課程銜接。

    2.1.2 福里斯、季莫列娃合編的《普通物理學》中說：“繞電路一周時，電位躍變的代數和叫做電路中的電動勢”。這種定義也未引入非靜電力概念。除化學電池外，其它非靜電力作用不能引起電位躍變，此定義不適用。例如圖3所示，金屬棒中AB在磁場中繞棒的一端B旋轉，洛侖茲力推動AB間的電荷運動而產生電荷及電位的某種分布，就不是一種躍變。因此，這種定義沒有反映所有電源的共同特征，未突出電動勢的本質，現已不被人們采用。

    2.1.3 目前較流行的電源電動勢的定義是：電源的電動勢是單位正電荷從負極經電源內部移到正極時非靜電所做的功。

    式中為電源電動勢，A為正電荷q從負極經電源內部移到正極時非靜電場力所做的功。對整個閉合回路而言即單位正電荷環繞閉合回路一周，非靜電場力所做的功稱為電動勢。

參考文獻：
[1]趙凱華，陳熙謀，電磁學 [M]北京：高等教育出版社，1999
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