對幾種典型電源非靜電力的探析

　　人教版教材選修3—1電動勢一節(jié)提出：“電源內(nèi)要使正電荷向正極移動，就一定要有非靜電力作用于電荷才行?！薄半娫词峭ㄟ^非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置?！蹦敲床煌娫磧?nèi)部“非靜電力”究竟是何種作用力，書中僅提出：“電池中，非靜電力是化學(xué)作用，發(fā)電機(jī)中，非靜電力是電磁作用?！辈]有細(xì)致的分析，包括教參上也沒有深入介紹。學(xué)生只要知道在電源內(nèi)部存在這種作用力即可，不必深究，但是教師還是要站在更高的位置去理解“非靜電力”。不同電源內(nèi)部的非靜電力是如何產(chǎn)生的？不同電源中的非靜電力究竟是何種性質(zhì)的力？下面就對比較典型的丹聶爾電池的非靜電力、動生電動勢的非靜電力、感生電動勢的非靜電力進(jìn)行分析。
　　1.電源的作用
　　首先“非靜電力”是我們?yōu)榱藚^(qū)別靜電場對電荷的靜電力而這樣定義的，其方向是在電源內(nèi)部從低電勢點指向高電勢點。根據(jù)形成電流的條件，除了導(dǎo)體內(nèi)有可以移動的自由電荷外，還需要在導(dǎo)體內(nèi)維持一個穩(wěn)恒的電場，而要維持一個穩(wěn)恒的電場，僅靠靜電力的作用是不行的。如圖1，在靜電場中，電勢不同的兩個導(dǎo)體P、Q，若用導(dǎo)線聯(lián)接，只能在一瞬間有電荷移動，形成瞬時電流，而后很快就達(dá)到靜電平衡，形成一等勢體。因此，要維持一個穩(wěn)定的電流，必須有靜電力以外的作用，即“非靜電力”。電源則是電路中提供“非靜電力”的裝置，而電動勢是描寫電源的“非靜電力”作功本領(lǐng)的物理量。如圖2所示，以正電荷為例，在外部電路中正電荷在靜電力的作用下由電源正極向電源負(fù)極做定向移動，而把運動至電源負(fù)極的正電荷再“搬運”回負(fù)極形成恒定的電流，則是由電源內(nèi)部的非靜電力做功來完成的。
　　因此電源的作用，從力學(xué)角度分析，在一個閉合電路中，電源就是能夠提供非靜電力的裝置。若從能量轉(zhuǎn)換的角度分析，電源就是能夠為電路提供電能的裝置。電源提供的電能是從其他形式的能量通過非靜電力對電荷作功轉(zhuǎn)化而來的。不同的電源形成非靜電力的原因不同，能量轉(zhuǎn)換的形式也不同。在不同電源里，這種非靜電力具有不同的本質(zhì)。
　　2.電池中的非靜電力
　　下面以丹聶爾電池為例來分析電池內(nèi)部的非靜電力來源。如圖3所示，將鋅板插在ZnSO溶液內(nèi)，銅板插在CuSO溶液內(nèi)，用一塊隔板將一個容器分為兩部分，阻止ZnSO與CuSO二種溶液自行混合。
　　根據(jù)能斯特理論：金屬有溶解成離子的傾向，這種傾向可以用一假想的溶解壓強(qiáng)P來量度；電解質(zhì)中的離子也有淀積到金屬電極上的傾向，這種傾向可以用溶液的滲透壓強(qiáng)P來量度P與P的相對大小關(guān)系，就可判定金屬電極是否帶電，以及所帶電的符號。［１］當(dāng)P＞P時金屬溶解于溶液而成為離子，當(dāng)P＜P時溶液中的離子沉淀于金屬表面。按照能斯特理論，電池中的非靜電力就是金屬的“溶解壓強(qiáng)”P與離子的“滲透壓強(qiáng)”P的大小之差。根據(jù)圖3，簡單點說：由于Zn的溶解壓強(qiáng)大于ZnSO溶液中成為Zn離子的滲透壓強(qiáng)，因此金屬Zn溶解于ZnSO溶液成為離子，而把兩個電子留在鋅板與溶液的界面。從而Zn極帶負(fù)電。由于Cu離子的滲透壓強(qiáng)大于銅的溶液壓強(qiáng)，因此銅離子將淀積在銅板表面，并獲得正電荷，從而Cu極帶正電，從而兩極間產(chǎn)生電勢差。在此過程中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
　　3.動生電動勢的非靜電力
　　如圖4所示，放在勻強(qiáng)磁場B中的導(dǎo)體棒AB，無摩擦地向右以速度v做勻速直線運動（金屬框架及AB棒的電阻均忽略不計），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在AB棒中產(chǎn)生了穩(wěn)定的動生電動勢E=BLv。下面我們來分析動生電動勢的產(chǎn)生過程。金屬導(dǎo)體中的自由電子隨金屬導(dǎo)體AB向右以速度v勻速運動，自由電子受到一向下的洛倫茲力f，使自由電子向下堆積，使得A、B兩端出現(xiàn)多余的正電荷與負(fù)電荷，因此在金屬導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一附加電場。從而自由電子不僅受到洛倫茲力的作用，而且受到靜電力的作用，隨著AB兩端堆積的電荷逐漸增加，附加場強(qiáng)逐漸增大，電子受到的靜電力逐漸增大，當(dāng)靜電力等于洛倫茲力時，形成穩(wěn)定電場，AB兩端產(chǎn)生恒定的電動勢，可見對于金屬棒AB這一電源，其內(nèi)部非靜電力則是克服靜電力對電荷做功的洛倫茲力。
　　洛倫茲力怎么做功了？怎么解釋這個矛盾呢？f是由速度v引起的，它不能改變v的大小，也不在v的方向上對電子做功但卻可以改變u（電子相對于導(dǎo)體的運動速度）的大小，在u方向上對電子做功。而F不改變u的大小，但改變v的大小，并在v的方向上對電子做功。由于f做正功而F做負(fù)功。設(shè)導(dǎo)體電荷密度為n，導(dǎo)體棒的長度為L，截面積為s，則洛倫茲力的功率為：P=-Nfu，其中f=Bqv，粒子數(shù)N=nLs，所以洛倫茲力的功率P=-nLsBqVu。安培力的功率P=Fv，其中，F(xiàn)=BIL，電流的微觀表達(dá)式I=nqsu，因此安培力的功率P=-nLsBqvu，所以P=-P。
　　相同時間內(nèi)W=-W，兩個洛倫茲力所做的總功為零，因此這并不違背洛倫茲力不做功的基本原理。
　　4.感生電動勢的非靜電力
　　如圖5所示，設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，且均勻增加。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，在磁場周圍空間會產(chǎn)生平行于原面的感生電場。需要注意的是這里的感生電場并非靜電場，根據(jù)場方程：E·dl=0及 E·dl=-·ds，［２］可以判斷感生電場的電場線是無頭無尾的閉合同心圈，就像漩渦一樣。它們的主要區(qū)別是靜電場為保守場，而感生電場為非保守場。導(dǎo)線中的自由電子在這個感生電場的電場力F的作用下，移向?qū)Ь€的A端而出現(xiàn)負(fù)電荷的積累形成負(fù)極，B端因失去自由電子而出現(xiàn)正電荷的堆積形成正極，如圖5所示。同時，因電荷的堆積，在線圈的A、B間又形成了一個方向與感生電場相反的靜電場。這個靜電場隨電荷的堆積而漸增強(qiáng)，導(dǎo)線中的每個自由電子同時受到感生電場的電場力和方向相反的靜電場的電場力，當(dāng)二力相等時，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢差即為感生電動勢。ε= E·dl=-·ds=-，因此感生電動勢的非靜電力是感生電場的電場力，是不同于靜電力的非靜電力，通過感生電場的電場力做功將磁場能轉(zhuǎn)化為電能。
　　通過以上分析可以比較清晰地明確這三種典型電源中非靜電力的產(chǎn)生和非靜電力的性質(zhì)，可以使教師在教學(xué)中站在更高的角度去把握該知識點。同時也建議在選修3—2“法拉第電磁感應(yīng)定律”之后引導(dǎo)掌握比較好的學(xué)生作進(jìn)一步分析，從而更全面深刻地認(rèn)識非靜電力。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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