论电磁感应现象中的勒夏特列原理

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英国伟大的物理学家、化学家迈克尔・法拉第在1831年首次发现了电磁感应现象，这个划时代的发现给全人类的能源使用带来了突飞猛进的发展，给能源形式带来了革命似的新思路。电磁感应造福人类的几个世纪以来，为地球的能源和人类的生活做出了不可替代的贡献。我从事电力事业多年以来，始终对电磁感应现象有着浓厚的兴趣，并对其特点做了很多思考与研究，下面我针对自己的一些想法发表我的一孔之见，希望各位同仁批评指责。

毫无疑问，世界上的所有物质与非物质，所有力，所有能量，都存在于某种动态平衡中，比如，密封的一杯水，宏观上体现为水不会减少，但这并不代表水没有蒸发，而是水分子逃离水面的速率与水分子从空气中回到水面的速率达到了动态平衡。打开杯盖，就代表平衡被打破，水上方的空间增大，而水杯内的空间依旧狭小。水分子更容易逃离水面，水的熵值变大 ，是个熵增的过程。而水分子有自发扩散到更大的空间的趋势，并不容易再回到水中，因此汽化的速率大于液化的速率，宏观体现为水的消失。

以此为基础，醋酸的电离，也是一个平衡过程。

CH3COOH《--》CH3COO-+H+。分子电离成离子的过程中，同时也有离子结合成分子。开始时CH3COOH浓度很大，离子浓度很小，导致电离方向速率较大，结合成分子的速率较小。随着电离的进行，CHCOOH浓度逐渐减小，离子浓度不断增大 ，导致电离方向逐渐减慢，结合成分子的方向速率加快。当分子电离成离子的速率与离子结合成分子的速率达到相等的时候，即达到了动态平衡。假如在已经达到电离平衡的时候，向CH3COOH溶液中加入水，就会导致CH3COOH的浓度与离子的浓度均减小，这个时侯，所有的物质和平衡状态都会有自发阻止自身的平衡被打破的过程，因此，为了防止离子浓度减小，CH3COOH会继续努力电离出更多的离子，使平衡正向移动，企图阻止离子浓度变小的过程。这时，伟大的勒夏特列指出，虽然平衡的打破会导致化学平衡向生成离子的方向移动，但是该移动的程度永远也大不过初始打破该平衡的外界因素对该平衡的影响。换句话说，初始打破该平衡的因素，是加水，导致离子浓度减小。为了阻止该平衡被打破，平衡体系会自发向离子浓度增大的方向移动。但是无论怎样移动，都不会抵消加水造成的影响，也就是离子浓度最终还是会减小。这就是勒夏特列原理。在自然界中，不只是化学平衡，所有的物理与化学过程都处在动态平衡中，也都受勒夏特列原理的统一掌控。我们要讨论的电磁感应现象便是其中的典例。

在电磁感应中想要保持恒定不变的量，就是通过磁场中某一截面的磁通量。

在方向向下的磁场中，将一根导体棒放在水平放置的U型光滑轨道上，并对其施加一向右的初速度，导体棒与右侧导轨形成的闭合回路中磁通量将会减小，根据楞次定律，“增反减同”，很容易判断出回路中将会产生顺时针方向的感应电流，又根据左手定则，导体棒在向下的磁场中将会受到向左的安培力作用，使其减速。假如任意改变磁场方向或运动方向，我们也会同样得到安培力方向与运动方向相反、并使其减速的结论。由此，我们可见，为了阻止磁通量的值被改变，会产生感应电流，而感应电流所产生的磁场方向一定与原磁场的变化方向相反，进而企图阻止原磁通量的变化。与此同时，产生的安培力也会通过阻止导体棒运动的方式来阻止磁通量的变化，也就是阻止平衡的打破，与勒夏特列原理十分吻合。然而，这还不算天衣无缝，进一步对受力的分析，会产生更加吻合的结论。

当导体棒刚刚开始运动时，速度为v，安培力F=BIL，而I=， U=， 因此安培力 F=， 由于安培力方向与运动方向相反，因此导体棒会做减速运动，使v变小，导致安培力变小，因此导体棒所受合外力变小，进而加速度变小。虽然加速度变小，但是加速度方向并没有改变，速度方向也并未改变，因此表现为做加速度变小的减速运动，

可见，导体棒的运动受到了安培力的阻止，而做减速运动，虽然加速度随着速度的减小而减小，但是最终速度还是会减为零。在速度减为零的过程中，回路的磁通量一直在变小，因此运动一直受到阻止，假如没有感应电流和安培力的存在，那么导体棒将会一直做匀速直线运动，使磁通量一直减小下去，直至脱离导轨。

因此，无论是感应电流，还是安培力，都在企图阻止平衡的磁通量被打破。到最后，速度减为零，安培力也变为零，导体棒静止不动，而不会原路返回。换句话说，虽然安培力与感应电流在阻止磁通量的减小，但是磁通量最终还是减小了。因此，在电磁感应现象中，安培力与感应电流可以阻碍磁通量的变化，却永远无法阻止磁通量的变化。

又如，两根倾斜的光滑平行直导轨，与水平面的夹角为θ，并处在磁感应强度为B的无限大磁场区域，磁感线方向垂直于导轨所在平面，并指向斜下方。平行导轨无限长，将一导体棒从导轨顶端自由释放，

那么由于导轨与导体棒所组成的回路磁通量变化，必定会产生阻止导体棒下滑的安培力，也就是安培力平行于导轨方向向上，但是安培力却永远大不过重力在下滑方向的分力，因为安培力是从0开始增大的（由于初始的v=0），因此初始时线圈在重力作用下做加速运动，使v增大，导致安培力变大，F合= mgsinθ-F安，是一个沿导轨向下的合力，因此加速度向下，但是随着速度增大，安培力变大，合外力变小，导致线圈做加速度变小的加速运动。直到最后，安培力增大到与mgsinθ相等的时候，速度达到最大，合外力为零，因此开始匀速下滑，且永远不会回到原位置，也就是磁通量还是发生了变化。但是，假如没有安培力的阻碍作用，线圈就会一直加速，而不被阻止。因此，安培力在试图阻碍磁通量的变化，却永远无法阻止磁通量的变化。

综上所述，化学领域动态平衡中的勒夏特列原理，在物理领域的电磁感应中完全适用，而且在判断安培力的方向时其应用特别方便，如果用楞次定律与安培定则来判断线圈受到的安培力方向，无疑比较困难，因为磁铁产生的磁感线方向与线圈的受力方向不垂直，是倾斜的，要多次取各个方向的分量分别分析。但是应用勒夏特列原理，就可以轻松解决：由于磁铁在靠近线圈，使磁通量变化，线圈就一定会受到一个阻止磁铁靠近的安培力。因此，线圈一定会有向右下方远离磁铁的趋势，因此安培力既有向右的分量，又有向下的分量，轻松解决了该问题。