關于電池的二點疑難探討

陳丹燕 何海明

(紹興市第一中學 浙江 紹興 312000 )

在新課程電動勢教學中，教師們經常這樣描述電流的形成：電源的正極有大量正電荷，負極有大量的負電荷；閉合外電路后，電源兩極上的電荷對外電路建立一個電場，使導體中的電荷做定向移動；在內電路，電荷在非靜電力作用下做定向運動.這樣的描述有沒有科學性錯誤？電池的兩極究竟有沒有帶靜電荷？可把此問題稱之為電勢之謎和電荷之謎.這兩個問題關系到電路的電勢分布和電場線分布.只有弄清電路電勢分布規(guī)律和電場分布規(guī)律，才能解開這兩個疑問.下面我們逐一探究這兩個問題.

1 閉合電路的電勢升降是怎樣形成的

高中物理新課標教材3-1里面有一幅閉合電路的電勢分布圖(圖1).這個電勢分布是怎樣形成的？我們以銅-鋅電池為例加以說明.

圖1 原電勢分布圖

當鋅片和銅片插入稀硫酸溶液內，鋅離子進入溶液，鋅片帶上負電荷.在鋅的表面附近，鋅離子和鋅片之間構成一層極薄的電偶層，這個電偶層也叫雙電層.鋅片上的電偶層的電場方向指向鋅板.類似銅片和電解質溶液作用也形成雙電層，但與鋅電極相反，雙電層的電場方向離開銅片指向溶液.雙電層之間的電勢差就是電極的電極電勢.一般以標準氫電極的電極電勢為零，單質銅和銅離子構成的氧化還原電對，標準電極電勢為ε1=+0.34 V.單質鋅和鋅離子構成的氧化還原電對，標準電極電勢為ε2=-0.76 V.電極電勢的總和為電源的電動勢，標準狀況下銅-鋅電池電動勢為

ε=(φCu-φ0)+[φ0-(-φZn)]=

φCu+φZn=ε1-ε2ε1+ε2=1.1 V

這個電動勢大小與電解質溶液無關，完全由電極的材料所決定，如圖2所示.

圖2 銅-鋅電池開路情況

電源開路時內電路沒有電流，電解質溶液中的正負離子濃度均勻分布，整個電解質溶液是一個等勢體，鋅板附近的電勢和銅板附近的電勢是相等的，內電路沒有電勢降落.

電路閉合時，由于電解質溶液的內電阻有電勢降落，電解質溶液內部的正負離子濃度不再均勻分布，呈現(xiàn)梯度變化；靠近負極鋅板電勢高，靠近正極銅板電勢低.電極附近的電偶層相當于一個“電泵”，源源不斷地輸運電荷，提升電勢能，維持電偶層的電勢差恒定不變，保持電荷量的動態(tài)平衡.這便是我們所說的非靜電力做功，它僅僅發(fā)生在電偶層上，而不是在整個內電路.

弄清了電池內部的工作機理，不難理解全電路的電勢分布圖1.圖1中線段AD表示電池正極的電極電勢ε2=φA-φD;線段CB表示電池負極的電極電勢ε1=φC-φB;線段CD表示內電路上的電勢降落.內電路電阻包括電解液的電阻、電極電阻和接觸電阻等.曲線則表示外電路的電勢降落.

圖3 銅-鋅電池閉合電路

2 電源的電極究竟有沒有靜電荷

判斷物體是否帶電有兩個簡單的實驗方法看它能不能吸引輕小的物體，或者能否使驗電器的箔片張開.可是，我們從來沒有看到過干電池的電極會吸引輕小的物體，哪怕是碎紙屑或頭發(fā)絲.用電池的一個電極去觸碰驗電器的引電小球，驗電器箔片也不會張開.這是因為電池的電極上帶電荷量太少，還是電極上本來就沒有靜電荷？

帶電物體吸引輕小物體，其機理是帶電體的靜電場對輕小物體發(fā)生極化；不均勻的外電場對極化電荷作用.因為存在電場梯度，輕小物體總是被帶電物體所吸引.驗電器用接觸法驗電，帶電體的一部份電荷通過引電小球轉移到驗電器箔片，使箔片張開.驗電器等效于一個小容量電容器，帶電物體是一個孤立導體，也可以看作是個電容器，因為孤立電導體的電容非常小.靜電荷根據(jù)電容大小分配，所以帶電體的大部分電荷轉移到驗電器上，使驗電器的箔片張開.

現(xiàn)再來看電池的電極，在電源開路的情況下，電極附近雖然產生了電偶層，分離了等量正、負電荷.但是，這個電偶層的電場是封閉的，它不可能極化附近的輕小物體，從而產生吸引現(xiàn)象.從這一角度來說，應該把電極附近的電偶層和電極本身作為一個整體來看.因為電極沒有對外的開放電場，對外不顯示電性，所以說電源開路時電極不帶靜電荷.

電路閉合時電源工作，電偶層的電極電勢并沒有改變，但電偶層不斷地輸送電荷，把電荷從低電勢能輸送到高電勢能，形成穩(wěn)定的電流.電偶層等效于一個“電泵”，由于“電泵”的輸運，電偶層上的電荷達到一個動態(tài)平衡.從電場線的角度分析可更能清晰地看出閉合電路電荷的分布情況.不考慮電極和導線上的電阻，電極和導線上應該沒有電勢降落，電極和導線內部也沒有電場線和凈電荷分布.電勢降落在外電路電阻上，外電阻兩端積累了凈電荷，高電勢一端帶正電，低電勢一端帶負電，電場線由高電勢指向低電勢.在電源內部，氫離子在正極放電而消耗，放出氫氣；在負極上，鋅離子溶解進入溶液，結果造成內電路的離子濃度不均勻，出現(xiàn)電勢梯度;電場方向由電池的負極指向正極，如圖4所示.把內電路的電解質溶液等效為一個電阻，電解質溶液中的電勢梯度即為內壓降.從上面的分析我們知道，電池工作時電極上同樣沒有多余的凈電荷，沒有對外的開放電場.所以，不管電池有沒有工作，電池的正、負電極上都不帶凈電荷.

圖4 電源工作原理示意圖

我們還可以看出，稀硫酸做銅-鋅電池的電解質溶液是不合適的，因為在銅板上產生的氫氣會阻斷電流，產生極化現(xiàn)象.比較實用的銅-鋅電池是采用雙電解質溶液，將鋅片插入硫酸鋅溶液里，銅片插在硫酸銅溶液中，再用鹽橋構成離子通道，聯(lián)成內電路，以消除極化現(xiàn)象.