University Physics · Faraday Field Bench

感生电场
内外分区探究器

磁场只占据半径 R 的圆柱区域,感生电场却延伸到区域之外。先预测,再用闭合路径检验它的空间分布。

本实验的判据 ∮ E · dl = − dΦB/dt

磁通量窗口与涡旋电场

顺时针感生电场
观测位置内区 · r < R
场强大小 |E(r)|0.000 V/m
切向方向顺时针

实验旋钮

正号表示纸外磁场增强
0.30 m1.20 m
−5 T/s+5 T/s
0.05 m1.80 m
r < R

内区:包围的磁通面积随 r² 增大
|E| = r|dB/dt|/2

先预测 |E|—r 曲线

答案尚未显影

在 dB/dt ≠ 0 时,从圆心向外移动探针。哪条曲线同时满足内区、外区和边界连续性?

曲线被实验纸遮住了锁定预测,随后调节 R 与 dB/dt 观察峰值怎样移动。
磁场区内 · r ≤ R|E| = r|dB/dt| / 2
磁场区外 · r ≥ R|E| = R²|dB/dt| / (2r)

沿闭合路径测算
感生电动势

规定逆时针为路径正向。探针沿半径 a 的圆周走一圈,累积切向场的线积分;黄色路径同步显示在上方磁场窗口中。

环流核对表 外区路径 · 包围全部磁通
电场侧:Eθ(a) · 2πa −1.810 V

(−0.277 V/m) × 2π × 1.04 m

磁通侧:−dΦB/dt −1.810 V

−π × (0.80 m)² × 1.80 T/s

两侧相等。 当 dB/dt ≠ 0 时,闭合路径环流不为零。

它不是静电场

在本页轴对称模型中,非零感生电场的场线是同心圆。一般时变电磁场不能仅凭非零旋度断言所有场线都闭合。区分两种电场的关键不是“有没有电势差”,而是闭合环流。

边界连续:从两侧代入 r = R,都得到 |E(R)| = R|dB/dt|/2。曲线在 R 处达到峰值,但没有跳变。
判据感生电场静电场
来源随时间变化的磁场静止电荷
场线本轴对称模型:同心圆、切向起于正电荷,终于负电荷或无穷远
闭合环流∮E·dl = −dΦB/dt(磁通变化时非零)∮E·dl = 0
电势描述不能用单值静电势全局描述E = −∇φ,可定义单值电势