非静电力在不同电源中来源的探究

晏 鹏

(沭阳高级中学 江苏 宿迁 223600)(收稿日期：2016-03-03)



中学物理教学

非静电力在不同电源中来源的探究

晏 鹏

(沭阳高级中学 江苏 宿迁 223600)(收稿日期：2016-03-03)

非静电力在不同的电源内物理本质是不同的，然而在任何一种电源内究其宏观效应都有电荷的运动和聚集的驱使现象发生， 此“驱使”从效果上看相当于一种力的作用，能量转换相当做功的结果．

电源 非静电力 来源

在人教版高中《物理·选修3-1》第二章第2节“电动势”内容里，谈到是非静电力使正电荷从负极移动到正极，从而使电路中存在持续电流．课堂上很多学生对“非静电力”这个名称感到新奇并很感兴趣，对其来源也有进一步探索的欲望．对于这个问题，课本上没有详细说明，只是很笼统地说“在电池中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能；在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能．”学生对这个笼统的说法显然并不满意．基于这个原因，笔者课后对有代表性的几种电池和发电机中涉及非静电力的内容做了一些整理，分析了这些电源中非静电力的来源，希望对感兴趣的同学有所帮助，对同行在备课时有一点可借鉴之处．

1 Cu─H2SO4─Zn原电池

这种电池是最简单的化学电池，如图1所示．它的导电原理与其他化学电池的原理基本一致．Cu─H2SO4─Zn原电池的结构如下.

图1 Cu─H2SO4─Zn原电池结构

电解槽中有稀H2SO4溶液．Zn片为电池负极，Cu片为电池正极．在两极分别发生反应：

正极 2H++2e→H2↑

负极 Zn-2e→Zn2+

化学电池的种类很多，常见的有锌-锰干电池、锂电池、燃料电池、铅蓄电池等，不同的化学电池其正负极和电解质的材料不同，但从电解质中离子运动受力来看，其非静电力都是一种与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用．

2 发电机

发电机的发电部分基本结构如图2所示.

图2 发电机发电部分基本结构

如图2，线框abcd在永磁体形成的磁场中转动，按照电磁感应定律，ab边和cd边会产生感应电动势，通过电刷使外电路的小灯泡发光．线框内的电动势是由于电磁感应而产生，从微观角度看，是自由电荷在洛伦兹力的作用下产生了定向移动．在这里，洛伦兹力提供了电荷运动所需力的来源，但洛伦兹力不是非静电力．那么非静电力到底是什么？以图3说明．

图3 导体在磁场中运动，所受非静力的分析

如图3所示，导体棒在磁场中沿x方向运动．不考虑电子的热运动，电子受力如图所示，FB是电子受到的洛伦兹力，Fj是晶格对电子的横向约束力，Fd是电荷纵向分布产生的电场力．

电子在x方向的运动速度为v，在y方向的运动速度为u，合速度为v′．其中FB在x方向上的分力阻碍电子的横向运动，Fy使电子产生纵向运动．由此可以看出，是FB与Fj的合力沿y方向，使电子向下运动产生电动势．所以，对于发电机而言，是洛伦兹力与晶格对电荷的横向约束力在y轴方向的合力提供了产生电动势的非静电力，电子纵向分布形成的电场力阻碍电子定向运动，该电场力随电荷积累而增大，当它与上述外静电力等大反向时，导体棒两端电荷达到稳定分布．

发电机转动的线框或磁体称为转子，根据转子转动的驱动力可以将发电机分为水力、火力、风力等等，但基本原理都是如上所述．所以，对于一般发电机，其非静电力都是由洛伦兹力、晶格对电荷的横向约束力和电子纵向分布形成的电场力在导体棒方向的合力．所以在技术上，有时也把发电机称为电磁感应电池．

3 光电池

光电池也称光伏电池、太阳能电池．这种电池是以半导体材料制成，能将太阳能转化为电势能的电池．根据材料的不同，有硅光电池、硒光电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等．下面以最为常见的硅光电池来简要说明其原理．

根据半导体硅中自由电荷的不同，可将材料分为n型硅和p型硅．p型硅中可自由移动的是空穴(相当于正电荷，图中都当作正电荷处理)，n型硅中可自由移动的是电子．如图4所示，当两种硅的薄片靠近时，在交界处由于正负电荷的吸引而产生pn结，pn结内的电场由p型硅指向n型硅．将硅处于光照下，pn结附近的自由电子和空穴吸收光子能量有了较大的动能，在电场力的作用下挣脱彼此半导体的溢出功到达对方．这样，n型半导体内就有了多余的正电荷形成硅光电池的正极，p型半导体内就有了多余的负电荷形成硅光电池的负极．如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧(n侧)，在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功．

图4 光电池中的非静力分析

在硅光电池中，pn结中的电场力提供了电子和空穴运动所需的非静电力．

4 温差电池

温差电池是利用温度差异把内能转化为电势能的装置．这种电池在航天技术中有较多的应用．温差电池的材料有金属和半导体两种．用半导体材料制成的温差电池，热电转换率更高，应用更多，下面就以这种电池为例说一说其基本工作原理.

如图5所示，将p型和n型的片状半导体材料的一端结合并放置在热源附近，另一端放置于温度较低的冷端．在热端的热激发作用下，两块半导体材料中形成浓度较高的空穴和自由电子．这样两种载流子在热端和冷端就存在一定的浓度梯度．在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，使两片半导体材料在冷端形成电势差．只要两种材料在冷端和热端存在稳定的温差，那么两种材料在冷端就存在稳定的电势差，这就相当于电池的两级．将两级接入电路，就会在回路中形成电流．在温差电源中，非静电力是一种与温度差和电子浓度差相联系的扩散作用．

图5 温差电池中的非静电力分析

以上对几种较典型的电源简要分析了其原理并对涉及非静电力部分做了一些概述．可以看出，非静电力在不同的电源内物理本质是不同的，然而在任何一种电源内究其宏观效应都有电荷的运动和聚集的驱使现象发生， 此“驱使”从效果上看相当于一种力的作用，能量转换是此种相当力做功的结果．非静电力在一些情况下是以可用牛顿力学观念描述的一个力或几个力的合力的形式呈现出来，如发电机内的非静电力；非静电力在另一些情况下则不是一种能简单地用牛顿力学观念描述的“实在力”，而以超出牛顿力学观念的复杂得多的作用形式与机理呈现出来,如本文中几次提到的“扩散力”，这实际上是一种更为复杂的量子理论方面的作用．因此笼统地想找出能用牛顿力学观念描述的非静电性的其它力来说明电源内的非静电力的非静电性是不恰当的．