涡旋电场和静电场之比较

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涡旋电场和静电场之比较

江苏省张家港市后塍高级中学薛超

人教版高二物理(必修加选修)第十九章第三节介绍了麦克斯韦的电磁场理论:变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场。并且在书的右侧附了一幅关于“变化的磁场产生电场(磁场增强时)”的情形图,如下图所示。

图 1

很多学生学到这里时就会产生疑问:电场里的电场线不是从正电荷发出,到负电荷终止的吗?怎么到了这里又变成闭合的了呢?

其实,这是由于学生对电场的了解不足所造成的。

在物理学中,电场有两种:静止电荷产生的静电场和随时间变化的磁场产生的涡旋电场(也叫感生电场)。那么,这两种电场又有什么异同点呢?下面,就让我们来共同

比较一下它们的相同点和不同点。

一、相同点

(1)都对放入其中的电荷有作用力。

(2)电场强度的定义式是电场强度的普遍定义,它对这两种电场都适用。

二、不同点

(1)产生原因不同:

静电场──由静电荷产生

涡旋电场──由变化磁场产生

(2)电场线的分布不同:

静止电荷产生的静电场,其电场线起于正电荷终止于负电荷,不可能闭合。

变化磁场产生的涡旋电场,其电场线没有起点、终点,是闭合的。

(3)电场力做功情况不同:

静电场中电场力做功和路径无关,只和移动电荷初末位置的电势差有关。

涡旋电场中移动电荷时,电场力做功和路径有关,因此不能引用“电势”、“电势

能”等概念。

下面我们来看一个具体的例子:

如右图2所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于环口径的带正电的小球(重力不计),正以速率沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球带的电

量不变,那么()

A.小球对玻璃环的压力不断增大

B.小球受到的洛伦兹力不断增大

C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动

D.洛伦兹力对小球一直不做功

解析:

因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,所以会在其周围产生稳定的涡旋电场,对带正电的小球做功。由楞次定律,可判断电场方向为顺时针方向,故在电场力作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动。

小球在水平面内沿轨道半径方向受两个力作用:环的弹力和磁场的洛伦兹力,而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力,考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化,弹力和洛伦兹力不一定始终在增大。

因洛伦兹力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以洛伦兹力对小球不做功。

正确选项:C、D

由以上分析可知,对于遇到的关于变化的电磁场的问题,要首先考虑到涡旋电场与静电场的联系和区别,要用联系的观点认识规律,从而作出正确的判断。

应该注意,对基本物理概念、物理规律的深刻理解不可能一次完成,它需要一个反复加深认识的过程。遇到的新现象、新问题、新领域,我们都需要重新认识、体会有关概念、规律的准确含义。这样我们就不断在越来越广泛的知识和背景上来把握概念、规律,从而对它们的理解就更全面、深入和准确。

2006-04-11 原创作品

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