微视角看发电机和电动机模型的能量转换原理

微视角看发电机和电动机模型的能量转换原理摘要发电机的电动势产生与洛伦兹力有关，大小等于洛伦兹力沿着导体棒的分力对单位电荷做功洛伦兹力与安培力本质上都是磁场力，安培力是洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力是安培力的微观本质，两者不能完全割裂，特别在涉及电动机和发电机中能量转换问题洛伦兹力在沿导体棒的分力做功和垂直导体棒分力做功大小相等，一个正功，一个负功，虽然总功为零，而这一对洛伦兹的分力做功实现了能量在机械能和电能间的转递关键词电动势，安培力，洛伦兹的分力做功，功能关系引言本文写作有感于2017年北京高考的物理第24题，该题要求考生从微观角度去解释发电机和电动机的原理作为中学物理教师要想在这一问题的教学中取得突破，需结合学生已有知识，如洛伦兹力、做功与能量转换关系，把一些比较笼统的概念和关系梳理清楚研究对象选取，物理模型的建立是解决问题的关键，此外物理思想方法中微元法的应用可实现复杂问题简化本文将从电磁场的角度解释发电机和电动机的工作机理

一、发电机

1.电动势的产生首先建立发电机模型，做切割磁感线的导体棒ab就是一台最简易的发电机；然后确定研究对象，以导体棒中自由电荷为研究对象自由电荷的运动情况比较复杂,自由电荷在导体内做无规则热运动，这一运动具有各向同性的特点，因而其在磁场中受力统计结果影响可忽略，同理也可忽略自由电荷和原子的碰撞的影响电荷的运动和受力可以简化成只当自由电荷存在整体的定向移动时，才考虑磁场对定向移动电荷的作用力现使导体棒做垂直棒且垂直于匀强磁场B的运动，速度为V,自由电荷伴随1/2棒一起匀速运动为了方便，可以认为导体棒中的自由电荷是正电荷因而磁场对电荷施加一个作用1（洛伦兹f=qvB力），力方向垂直于v,即为沿棒方向在1作用下电荷沿导体f棒做定向移动，导体棒上端出现过剩的正电荷，下端出现过剩的负电荷，因此导体棒中出现由上端指向下端的电场当作用在自由电荷上的电场力与1相平衡时，自由电荷停止定向移动，导体棒两端f产生稳定的电势差，即为导体棒两端产生的感应电动势，此时运动的导体棒相当于电源由法拉第电磁感应定律可推导得感应电动势大小为E=BLv现从微观角度推导感应电动势大小，过程如下类比电源电动势，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置，使电荷发生定向移动的力1即为电源的非静电力，电动势在数值上f=qvB等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功，W非即有电动势定义式:E=q非静电力做功非=非-，I.这一结果和法拉第电磁感应定律推导的结果一致，虽然出发点不同，但最终都能获得相同的结果，这也进一步验证了法拉第电磁感应定律的正确性

2.安培力与洛伦兹关系使运动的导体棒与外部电路构成闭合回路，如串联一个负载电阻在感应电动势作用下，回路有了持续电流，棒中电荷在磁场的作用力l和f=qvB电场力共同作用下定向移动，设电荷沿棒做速率为u,因而磁场对沿棒运动的自由电荷又施加另一个磁场力2（洛f=quB伦兹力），方向与棒运动方向相反导体棒内所有电荷受到磁场施加垂直棒力合力为多少下面进行该力的合力求解设棒中自由电荷总数为n,则棒中所有自由电荷受到的磁场作用的合力时间t为自由电荷通过长为L棒的时间，则有因而合力即合力F即为通电导体棒在匀强磁场中受到的安培力，2由此我可以知安培力是洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力则为安培力的微观本质

3.洛伦兹力做功与否安培力方向与棒的运动方向在同一直线上，因而安培力做功初学洛伦兹力时,我们知道洛伦兹力方向总是垂直于运动方向，因而洛伦兹力不做功在电磁感应中的总的洛伦兹力同样也是不做功，这里将从两个角度来说明这一点方法一从洛伦兹力方向与自由电荷运动方向关系分析洛伦兹力做功与否设u和1/的合速度为VU和V夹角为ot,则设分洛伦兹力/和/的合洛伦兹力为f,/和/夹角为B，由几何关系可得合，合，由此可证此过程中洛伦兹力同样不做功方法二分析f和f做功所以有W+VV=O,即合洛伦兹力对自由电荷做功为零

4.安培力做功、洛伦兹力做功与能量转换关系力是物体与物体间的相互作用，力做功实现能量从一种物体转移到另一物体，或从一种形式转换成另一种形式，这是毋庸置疑对安培力做功与能量转化关系有人是这样认为的安培力是磁场对电流的作用，则安培力做功是磁场能与3/2电能转换的量度，认为电能是由磁场能转换而来这似乎有定道理，但事实并非如此，生产生活中的各种发电机方式，如水利发电是将水的机械能转换化为电能,火力发电是将化学燃烧产生的内能转化成电能那么认为安培力做功实现磁场能与电能转换，是因为忽略了什么，才造成这样错误的认识呢？安培力是磁场对电流的作用，其仅是磁场对运动电荷的洛伦兹力在垂直于棒分力的宏观表现这部分洛伦兹力做负功，另一个沿棒洛伦兹力做正功，而总功为零即磁场对运动电荷所做总功为零，因而磁场并没有与电能发生转化安培力方向与导体棒运动方向相反，要维持其匀速运动则必须有一个外力与安培力相平衡，这个维持导体棒匀速运动外力做正功，实质上电能增加是外力做功的结果

二、电动机

1.电动机中的功能转换电动机模型与发电机模型结构相似，通电导体棒在安培力作用下向右运动，并通过绳和滑轮提升重物对外做功运动的导体棒同样会因为切割磁感线产生感应电动势，而这一感应电动势与电源电动势方向相反，因而称他为反电动势，由法拉第电磁感应定律可得电机消耗的电能一部分因回路电阻的存在而转化为焦耳热，这部分的电能转化大家比较熟悉；另一部分通过电机对外做功转化为机械能，那么这部分的电能如何转化成机械能的呢？接下来针对这一问题进行探讨由闭合电路欧姆定律有，由能量守恒定律得总=热+机；由此可知电机对外做功消耗电能是通过反电动势实现能量转化以上观点是从宏观角度分析得到，要想细致到从力做功实现能量转化则需从微观层面分析:外加电压使自由电荷沿导体棒定向移动，设电荷移动速度为U,因而有磁场力（洛伦兹力），方向与棒垂直，宏观表现为安培力，促使棒运动设稳定时棒的速度为V,自由电荷伴随棒运动一起运动，因而又有另一分量的磁场力I（洛伦兹力）对自由电荷做负功，阻碍自由电荷定向移动，电场力要克服了做功以一个自由电荷为研究对象，/的功率若棒中自由电荷总量为N,总电荷量（！=四棒中所有电荷的总功率1总由此可知，f做负功，阻碍自由电荷定向移动，宏观表现为“反电动势”消1耗电源的电能2做正功，宏观上表现为安培力做正功，使机械能增加洛伦兹力总体仍不做功，但通过两个分洛伦兹力做功起到转递〃能量作用

三、小结

1、发电机电动势的非静电力实为洛伦兹力沿导体的分力，而洛伦兹垂直与棒分力在宏观上表现为安培力

2、安培力做功而洛伦兹力不做功，发电机电能产生实质是外力做功的结果

3、两个分洛伦兹力总功为零，但正是这两个力做功实现了电能和其他形式能量的转递〃参考文献

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