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1、论感生电动势和动生电动势的相对性和统一性电磁学中讲述电磁感应现象时，根据非静电力起因不同，将感应电动势分为感生电动势和动生电动势两种。感生电动势对应的是变化的磁场产生的涡旋电场的一种效应，动生电动势对应的非静电力是洛伦兹力。两者的物理本质完全不同。在相对论条件下，感生电动势和动生电动势是统一的，其本质是相同的。这是因为电磁场是一个统一的整体。而电场和磁场的划分是相对的，是与参考系的选择有关的。1、 相对性参考系的变换带来的矛盾1、参考系变换实现两种电动势的统一 动生电动势与感生电动势的区分并非是绝对的，而与选取的参考系有关。对于具体的电磁感应现象，在一个参考系中观察是动生电动势，在另一个参考系
2、中观察就可能是感生电动势。如图所示，柱形磁铁与导体圆环相对运动，导体圆环中出现感应电动势。如果以磁棒为参考系，那么空间各点的磁场不变，导体环切割磁感线产生感应电动势，这时的电动势就是动生电动势。如果以圆环为参考系，那么空间各点的磁场都在变化，变化的磁场产生涡旋电场，涡旋电场使导体圆环中产生感应电动势，这时的电动势是感生电动势。这说明，通过参考系的变换在一定程度上“可以消除动生电动势和感生电动势的界限”。然而，通过参考系的变换“可以消除动生电动势和感生电动势的界限”这一事实将产生以下突出矛盾。两种本质不同的电磁现象怎么能通过参考系变换的手段实现统一呢？只有本质相同的现象才可能通过一定手段实现统一
3、，只有具有统一性的现象才具有相对性。条形磁铁插入静止闭合线圈中产生的感应电流，对导体中的电子产生作用的到底是什么力？条形磁铁插入静止闭合线圈的过程中空间到底有没有感应电场？这些理论上的矛盾正暴露了经典电磁学的缺陷和局限性2、导体上有无电荷积累在另一些情况下却是不可能通过变换参考系把两者统一起来的。如图所示，设长为为的直导体棒在静止的均匀磁场中沿垂直磁场方向以速度匀速运动。在与均匀磁场相对静止的参考系中，导体在静止磁场中沿垂直磁场方向运动，导体中的电子必定受到洛伦兹力的作用，在洛伦兹力的作用下，C端必定有正电荷的积累，D端必定有负电荷的积累，即导体中必定产生动生电动势，两端电势差为：。在与导体棒
4、相对静止的参考系中，导体不动，磁场是均匀的，磁场不随时间变化，因此，既不产生动生电动势，也不产生感生电动势，即不产生电磁感应现象，导体两端也不会有正负电荷的积累，两端的电势差为：。这一实例同样说明了经典电磁理论存在缺陷和局限性。2、 统一性分析1、 数学表达形式上的统一性 法拉第电磁感应定律表明，只要回路中的磁通量发生变化，回路中就产生感应电动势，不必追究这种变化起于什么原因。感生电动势和动生电动势的数学形式是一致的，均为2、 物理意义的统一性2.1坡印廷矢量 坡印廷矢量S是电磁场中的能流密度矢量。 运动速度和坡印廷矢量S之间的关系式为(为比例系数，为真空磁导率)； 坡印廷矢量S与电场强度E、
5、磁场强度H之间的关系为。2.2动生电动势的物理意义 若有一段长为的导体棒以速度在磁感应强度为的稳恒磁场中运动，则导体中的每一小段速度均为，产生的动生电动势为，则由得 可以看出，动生电动势就是坡磁耦合电场对导体的积分。2.3感生电动势的物理意义经推导，感生电动势的公式为，它的物理意义是坡磁耦合电场瞬时差值对导体的积分。动生电动势和感生电动势在产生的原理上是一致的，都是由坡印廷矢量与磁场矢量耦合而成，产生的电场都是坡磁耦合电场。3、 动生电动势和感生电动势在相对论中的统一性事实上，按照麦克斯韦对电磁场理论的解释，电场和磁场是相互联系、相互转化的统一体。为更好地理解这一点，可从相对论角度出发。在相对
6、论中，电场和磁场是统一的电磁场在不同情况下的两种不同表现，在某个参考系中观察电磁场，它可能为电场，而在另一个不同参考系中观察，则就可能表现为磁场。一般的情况下，电磁场在不同参考系之间可作为一个整体来变换。洛伦兹力和涡旋电场力分别对应的是动生电动势与感生电动势的非静电力，是导体中自由电荷位于统一电磁场的电磁作用力的两种不同表现形式。这两种不同表现形式是相互联系、相互转化的，因此，决定了两种电动势统一的必然性。现用一简单的例子加以说明，如图所示，长直载流导线通过沿y方向的电流I，共面矩形线框边长为a和b，以速度v(远离导线，某时刻线框近端距离导线为d)，求感应电动势。选择相对长直导线静止参照系S，
7、由于，因此感生电动势为零，只有动生电动势。磁场，运动线圈的宽度为，时刻切割磁力线的边框位置为（积分路径从下至上）和（积分路径从上至下），则动生电动势为 相反，在系看来，线框不动，所在处的磁场随时间变化，只有感生电动势，该电动势可以由感生电场求得，也可由磁场的变化率求得，作场变换，系： 由感生电动势计算公式得： 其中，将代入上式，得： 由于电量不随参考系而变，因此，。但当非相对论极限时，那么，因此通过时空变换，不同的参考系，感生电动势与动生电动势可以统一，在S系的动生电动势，成为S系的感生电动势，因此在相对论意义下，感生电动势与动生电动势并无本质差别。3、 结论 在相对论中电磁场本身就是个统一的整体，电场和磁场并非彼此无关，而是与参考系的选择有关，因此它们的划分是相对的。由此可见，在经典电磁现象中，曾被认为是基本定律的规律，在相对论意义下，将进一步被统一到更基本的定律之中，曾被认为是有本质区别的概念也将得到统一。随着科学理论的深化，知识体系也在不断完善，自然界因此将变得更简单、和谐，呈现科学美，人们对电磁学体系的认识会有一条更为清晰的逻辑线索。