非靜電力在不同電源中來源的探究

晏 鵬

(沭陽高級中學 江蘇 宿遷 223600)(收稿日期：2016-03-03)

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中學物理教學

非靜電力在不同電源中來源的探究

晏 鵬

(沭陽高級中學 江蘇 宿遷 223600)(收稿日期：2016-03-03)

非靜電力在不同的電源內物理本質是不同的，然而在任何一種電源內究其宏觀效應都有電荷的運動和聚集的驅使現象發生， 此“驅使”從效果上看相當于一種力的作用，能量轉換相當做功的結果．

電源 非靜電力 來源

在人教版高中《物理·選修3-1》第二章第2節“電動勢”內容里，談到是非靜電力使正電荷從負極移動到正極，從而使電路中存在持續電流．課堂上很多學生對“非靜電力”這個名稱感到新奇并很感興趣，對其來源也有進一步探索的欲望．對于這個問題，課本上沒有詳細說明，只是很籠統地說“在電池中，非靜電力是化學作用，它使化學能轉化為電勢能；在發電機中，非靜電力是電磁作用，它使機械能轉化為電勢能．”學生對這個籠統的說法顯然并不滿意．基于這個原因，筆者課后對有代表性的幾種電池和發電機中涉及非靜電力的內容做了一些整理，分析了這些電源中非靜電力的來源，希望對感興趣的同學有所幫助，對同行在備課時有一點可借鑒之處．

1 Cu─H2SO4─Zn原電池

這種電池是最簡單的化學電池，如圖1所示．它的導電原理與其他化學電池的原理基本一致．Cu─H2SO4─Zn原電池的結構如下.

圖1 Cu─H2SO4─Zn原電池結構

電解槽中有稀H2SO4溶液．Zn片為電池負極，Cu片為電池正極．在兩極分別發生反應：

正極 2H++2e→H2↑

負極 Zn-2e→Zn2+

化學電池的種類很多，常見的有鋅-錳干電池、鋰電池、燃料電池、鉛蓄電池等，不同的化學電池其正負極和電解質的材料不同，但從電解質中離子運動受力來看，其非靜電力都是一種與離子的溶解和沉積過程相聯系的化學作用．

2 發電機

發電機的發電部分基本結構如圖2所示.

圖2 發電機發電部分基本結構

如圖2，線框abcd在永磁體形成的磁場中轉動，按照電磁感應定律，ab邊和cd邊會產生感應電動勢，通過電刷使外電路的小燈泡發光．線框內的電動勢是由于電磁感應而產生，從微觀角度看，是自由電荷在洛倫茲力的作用下產生了定向移動．在這里，洛倫茲力提供了電荷運動所需力的來源，但洛倫茲力不是非靜電力．那么非靜電力到底是什么？以圖3說明．

圖3 導體在磁場中運動，所受非靜力的分析

如圖3所示，導體棒在磁場中沿x方向運動．不考慮電子的熱運動，電子受力如圖所示，FB是電子受到的洛倫茲力，Fj是晶格對電子的橫向約束力，Fd是電荷縱向分布產生的電場力．

電子在x方向的運動速度為v，在y方向的運動速度為u，合速度為v′．其中FB在x方向上的分力阻礙電子的橫向運動，Fy使電子產生縱向運動．由此可以看出，是FB與Fj的合力沿y方向，使電子向下運動產生電動勢．所以，對于發電機而言，是洛倫茲力與晶格對電荷的橫向約束力在y軸方向的合力提供了產生電動勢的非靜電力，電子縱向分布形成的電場力阻礙電子定向運動，該電場力隨電荷積累而增大，當它與上述外靜電力等大反向時，導體棒兩端電荷達到穩定分布．

發電機轉動的線框或磁體稱為轉子，根據轉子轉動的驅動力可以將發電機分為水力、火力、風力等等，但基本原理都是如上所述．所以，對于一般發電機，其非靜電力都是由洛倫茲力、晶格對電荷的橫向約束力和電子縱向分布形成的電場力在導體棒方向的合力．所以在技術上，有時也把發電機稱為電磁感應電池．

3 光電池

光電池也稱光伏電池、太陽能電池．這種電池是以半導體材料制成，能將太陽能轉化為電勢能的電池．根據材料的不同，有硅光電池、硒光電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等．下面以最為常見的硅光電池來簡要說明其原理．

根據半導體硅中自由電荷的不同，可將材料分為n型硅和p型硅．p型硅中可自由移動的是空穴(相當于正電荷，圖中都當作正電荷處理)，n型硅中可自由移動的是電子．如圖4所示，當兩種硅的薄片靠近時，在交界處由于正負電荷的吸引而產生pn結，pn結內的電場由p型硅指向n型硅．將硅處于光照下，pn結附近的自由電子和空穴吸收光子能量有了較大的動能，在電場力的作用下掙脫彼此半導體的溢出功到達對方．這樣，n型半導體內就有了多余的正電荷形成硅光電池的正極，p型半導體內就有了多余的負電荷形成硅光電池的負極．如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經過該通路，流向它們的原始側(n側)，在那里與電場發送的空穴合并，并在流動的過程中做功．

圖4 光電池中的非靜力分析

在硅光電池中，pn結中的電場力提供了電子和空穴運動所需的非靜電力．

4 溫差電池

溫差電池是利用溫度差異把內能轉化為電勢能的裝置．這種電池在航天技術中有較多的應用．溫差電池的材料有金屬和半導體兩種．用半導體材料制成的溫差電池，熱電轉換率更高，應用更多，下面就以這種電池為例說一說其基本工作原理.

如圖5所示，將p型和n型的片狀半導體材料的一端結合并放置在熱源附近，另一端放置于溫度較低的冷端．在熱端的熱激發作用下，兩塊半導體材料中形成濃度較高的空穴和自由電子．這樣兩種載流子在熱端和冷端就存在一定的濃度梯度．在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，使兩片半導體材料在冷端形成電勢差．只要兩種材料在冷端和熱端存在穩定的溫差，那么兩種材料在冷端就存在穩定的電勢差，這就相當于電池的兩級．將兩級接入電路，就會在回路中形成電流．在溫差電源中，非靜電力是一種與溫度差和電子濃度差相聯系的擴散作用．

圖5 溫差電池中的非靜電力分析

以上對幾種較典型的電源簡要分析了其原理并對涉及非靜電力部分做了一些概述．可以看出，非靜電力在不同的電源內物理本質是不同的，然而在任何一種電源內究其宏觀效應都有電荷的運動和聚集的驅使現象發生， 此“驅使”從效果上看相當于一種力的作用，能量轉換是此種相當力做功的結果．非靜電力在一些情況下是以可用牛頓力學觀念描述的一個力或幾個力的合力的形式呈現出來，如發電機內的非靜電力；非靜電力在另一些情況下則不是一種能簡單地用牛頓力學觀念描述的“實在力”，而以超出牛頓力學觀念的復雜得多的作用形式與機理呈現出來,如本文中幾次提到的“擴散力”，這實際上是一種更為復雜的量子理論方面的作用．因此籠統地想找出能用牛頓力學觀念描述的非靜電性的其它力來說明電源內的非靜電力的非靜電性是不恰當的．