郎玲玲

電源都有兩個(gè)電極，電勢(shì)高的叫做正極，電勢(shì)低的叫做負(fù)極，非靜電力由負(fù)極指向正極.圖1是電源的一般原理圖.當(dāng)電源的兩電極被導(dǎo)體從外面連通后，在靜電力的推動(dòng)下形成由正極到負(fù)極的電流.在電源內(nèi)部，非靜電力的作用使電流從內(nèi)部由負(fù)極回到正極，使電荷的流動(dòng)形成閉合的循環(huán).

電源的類(lèi)型很多，不同類(lèi)型的電源中，形成非靜電力的過(guò)程不同：化學(xué)電池如干電池、蓄電池中，非靜電力與離子的溶解和沉積過(guò)程相聯(lián)系；普通的發(fā)電機(jī)中，非靜電力是電磁感應(yīng)作用；光電池中非靜電力的來(lái)源是光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng).下面分別介紹這幾類(lèi)電源的非靜電力的來(lái)源及其電動(dòng)勢(shì).

一、 化學(xué)電池

典型的化學(xué)電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，銅極和鋅極分別浸在硫酸銅溶液和硫酸鋅溶液中，兩種溶液盛在同一個(gè)容器里，中間用多孔的素瓷板隔開(kāi)，這樣，兩種溶液不容易摻混，而帶電的離子Cu2+、Zn2+和SO2-4卻能自由通過(guò).Zn極浸在ZnSO4溶液中時(shí)，發(fā)生了比較復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，Zn極上的正離子Zn2+溶解到溶液里，把負(fù)電子留在Zn極上，使Zn極帶負(fù)電，成為電源的負(fù)極.結(jié)果在溶液和Zn極之間形成電偶極層，電偶極層內(nèi)形成電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向由溶液指向Zn極，它阻止Zn2+移入ZnSO4溶液，即阻止溶解過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行.開(kāi)始時(shí)，隨著溶解的進(jìn)行.電偶極層上的正、負(fù)電荷逐漸增多，電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，對(duì)溶解的阻止作用也就逐漸加強(qiáng).當(dāng)電場(chǎng)加強(qiáng)到一定程度，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)，電偶極層內(nèi)的電場(chǎng)不再變化，溶液和Zn極之間有恒定電勢(shì)差，溶液的電勢(shì)高，Zn極的電勢(shì)低.此電勢(shì)的變化發(fā)生在很短的距離上，叫做電勢(shì)躍變，記為UCB.在Cu極附近，相反的物理化學(xué)過(guò)程是溶液中的正離子Cu2+沉積到Cu極上，使Cu極帶正電，成為電源的正極.CuSO4溶液中的一部分帶負(fù)電的硫酸根離子SO2-4聚集到Cu極的周?chē)?，與Cu極上的正電荷形成電偶極層，建立起靜電場(chǎng).這個(gè)電場(chǎng)的方向由Cu極指向溶液，阻止Cu2+沉積到Cu極上.當(dāng)電偶極層上正、負(fù)電荷積累得足夠多，就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)Cu極和CuSO4溶液之間也有一個(gè)恒定的電勢(shì)差，Cu極的電勢(shì)高，溶液的電勢(shì)低，也是一個(gè)電勢(shì)躍變，記作UAD.電池中Zn極處的溶解和Cu極處的沉積這兩種物理化學(xué)作用是非靜電力的來(lái)源.將單位正電荷從負(fù)極移到正極時(shí)，非靜電力需克服電場(chǎng)力做功，這就是電動(dòng)勢(shì)，它等于兩電偶極層處電勢(shì)躍變的和，即E=UAD+UCB.當(dāng)外電路未接通時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)電池，由△U=Ir=0，（r為溶液的內(nèi)阻），溶液內(nèi)各處的電勢(shì)都相等，只有在溶液和兩個(gè)電極相接觸的地方才存在電勢(shì)躍變，因此，電池內(nèi)部各處電位的變化情況如圖3所示.電池的端電壓為UAB=UAD+UCB=E.

當(dāng)把電池的兩極用導(dǎo)體連接起來(lái)時(shí)，如圖4所示，Zn極上的電子在電場(chǎng)力的作用下通過(guò)導(dǎo)體流到Cu極上去與正電荷中和.這時(shí)，由于Zn極的負(fù)電子減少，Zn極周?chē)恼x子Zn2+必有一部分會(huì)脫離電偶極層.結(jié)果，Zn極附近電偶極層內(nèi)的電場(chǎng)減弱，原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，這時(shí)非靜電力的作用超過(guò)電場(chǎng)力的作用，使Zn2+繼續(xù)溶解，因而，Zn極上的負(fù)電子和周?chē)芤褐械腪n2+及時(shí)得到補(bǔ)充，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，使Zn極附近的電勢(shì)躍變?nèi)匀槐３衷瓉?lái)的數(shù)值.同樣，Cu極所帶的正電荷因與Zn極流來(lái)的負(fù)電子中和而不時(shí)地減少，原來(lái)的平衡狀態(tài)遭到破壞.但非靜電力不斷使CuSO4溶液中的Cu2+沉積到Cu極上去，使電偶極層上的正、負(fù)電荷隨時(shí)得到補(bǔ)充，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，因而Cu極附近的電勢(shì)躍變也保持原來(lái)的數(shù)值.在溶液中由于Zn2+和Cu2+不斷地溶解和沉積，使得溶液中的正離子在Zn極附近較多，在Cu極附近較少，它們?cè)谌芤簝?nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，從而在C、D間形成一定的電勢(shì)差，與這個(gè)電勢(shì)差相應(yīng)的電場(chǎng)推動(dòng)正、負(fù)電荷流動(dòng)形成電流.若電流強(qiáng)度為I，電流在溶液中的內(nèi)阻為r，則在r兩端，也就是溶液兩邊C、D之間的電勢(shì)差為UCD=Ir.所以在做“研究電動(dòng)勢(shì)、外電壓、內(nèi)電壓三者之間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，如圖5所示要求測(cè)量?jī)?nèi)電壓的電壓表V2的探針必須靠近電源的兩個(gè)極板.電池內(nèi)部各處電勢(shì)的變化情況如圖6所示.這時(shí)的路端電壓為UAB=UAD+UCB-UCD=E-Ir，即UAB+Ir=E.這就是說(shuō)，以化學(xué)電池作電源的電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和.電池的正極和負(fù)極附近分別存在著化學(xué)反應(yīng)層，反應(yīng)層中的化學(xué)作用是非靜電力的來(lái)源，它把正電荷從電勢(shì)低處移至電勢(shì)高處，在這兩個(gè)地方，沿電流方向電勢(shì)分別有一個(gè)“躍升”.

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Zn極板上的Zn2+繼續(xù)向溶液溶解的速率會(huì)隨Zn極板附近的Zn2+濃度的升高而減小，同時(shí)Cu2+向Cu極板沉積的速率也減小，所以用過(guò)一段時(shí)間后的舊電池的電動(dòng)勢(shì)會(huì)減小.由于溶液中各處離子的濃度發(fā)生了變化，使舊電池的內(nèi)阻增大.

二、發(fā)電機(jī)

在發(fā)電機(jī)中，由于導(dǎo)體切割磁感線而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).如圖7所示，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)有一段長(zhǎng)為的導(dǎo)體CD以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的自由電子由于和導(dǎo)體一起運(yùn)動(dòng)，具有相同的運(yùn)動(dòng)速度v，因而受到洛倫茲力f=Bev的作用，其方向可根據(jù)右手定則判斷為由c指向D.由于這個(gè)力的作用，導(dǎo)體中的自由電子將移向D，從而在D端將有負(fù)電荷聚集，C端將因缺失電子而帶正電.這個(gè)正、負(fù)電荷在導(dǎo)體兩端分別聚集的過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行下去，直至由此在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)為止.此時(shí)，導(dǎo)體的兩端C、D之間具有了一定的電勢(shì)差，如同電源的兩極.可見(jiàn)，洛倫茲力在這里起著電源內(nèi)部非靜電力的作用.

電源電動(dòng)勢(shì)的大小等于非靜電力把單位正電荷從負(fù)極（D端）移到正極（C端）所做的功，所以電動(dòng)勢(shì)為E=W非e=BevΔle=B（Δl）v動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向應(yīng)是洛倫茲力移動(dòng)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，即從D指向C的方向.運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)體中的電子不但具有導(dǎo)體的速度v，還有沿導(dǎo)體向D端運(yùn)動(dòng)的速度v′，它的實(shí)際速度應(yīng)為 V=v+v′，設(shè)V與v的夾角為θ，則v=Vcosθ，v′=Vsinθ.由于v和v′的存在，電子受到的洛倫茲力分別為f=eVBcos和f ′=eVBsinθ，方向如圖8所示，它們的合力為F，F(xiàn)⊥V.設(shè)在△t時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)到圖中另一位置，電子從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)經(jīng)過(guò)的位移為ΔL，則f和f′所做的功分別為Wf=fΔLsinθ=eVBΔLsinθcosθ和Wf ′=-f ′ΔLcosθ=-eVBΔLsinθcosθ，可見(jiàn)f和f ′所做的總功Wf=Wf ′=0，即洛倫茲力所做的總功為零.那么電能又是從哪里來(lái)的呢？在使導(dǎo)體向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，外界必須以大小等于f ′、方向與f ′相反的力作用于導(dǎo)體，這個(gè)力所做的功恰為W非=eVBΔLsinθcosθ=eB（Vcosθ）（ΔLsinθ）=eBvΔl，因而E=W非e=BevΔle=BΔlv，這就是外力克服洛倫茲力的一個(gè)分量f ′所做的功通過(guò)它的另一分量f所作的功轉(zhuǎn)化為電能，即洛倫茲力的作用并不是提供能量，而只是傳遞能量.

當(dāng)導(dǎo)體不動(dòng)，因磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，非靜電力又是什么呢？英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋明確指出：變化的磁場(chǎng)能夠在它的周?chē)a(chǎn)生一種電場(chǎng)，叫做感應(yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合曲線，渦旋電場(chǎng)的電場(chǎng)力移動(dòng)電荷所做的功，就是非靜電力所做的功，也就是感生電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源.

電源都有兩個(gè)電極，電勢(shì)高的叫做正極，電勢(shì)低的叫做負(fù)極，非靜電力由負(fù)極指向正極.圖1是電源的一般原理圖.當(dāng)電源的兩電極被導(dǎo)體從外面連通后，在靜電力的推動(dòng)下形成由正極到負(fù)極的電流.在電源內(nèi)部，非靜電力的作用使電流從內(nèi)部由負(fù)極回到正極，使電荷的流動(dòng)形成閉合的循環(huán).

電源的類(lèi)型很多，不同類(lèi)型的電源中，形成非靜電力的過(guò)程不同：化學(xué)電池如干電池、蓄電池中，非靜電力與離子的溶解和沉積過(guò)程相聯(lián)系；普通的發(fā)電機(jī)中，非靜電力是電磁感應(yīng)作用；光電池中非靜電力的來(lái)源是光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng).下面分別介紹這幾類(lèi)電源的非靜電力的來(lái)源及其電動(dòng)勢(shì).

一、 化學(xué)電池

典型的化學(xué)電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，銅極和鋅極分別浸在硫酸銅溶液和硫酸鋅溶液中，兩種溶液盛在同一個(gè)容器里，中間用多孔的素瓷板隔開(kāi)，這樣，兩種溶液不容易摻混，而帶電的離子Cu2+、Zn2+和SO2-4卻能自由通過(guò).Zn極浸在ZnSO4溶液中時(shí)，發(fā)生了比較復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，Zn極上的正離子Zn2+溶解到溶液里，把負(fù)電子留在Zn極上，使Zn極帶負(fù)電，成為電源的負(fù)極.結(jié)果在溶液和Zn極之間形成電偶極層，電偶極層內(nèi)形成電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向由溶液指向Zn極，它阻止Zn2+移入ZnSO4溶液，即阻止溶解過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行.開(kāi)始時(shí)，隨著溶解的進(jìn)行.電偶極層上的正、負(fù)電荷逐漸增多，電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，對(duì)溶解的阻止作用也就逐漸加強(qiáng).當(dāng)電場(chǎng)加強(qiáng)到一定程度，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)，電偶極層內(nèi)的電場(chǎng)不再變化，溶液和Zn極之間有恒定電勢(shì)差，溶液的電勢(shì)高，Zn極的電勢(shì)低.此電勢(shì)的變化發(fā)生在很短的距離上，叫做電勢(shì)躍變，記為UCB.在Cu極附近，相反的物理化學(xué)過(guò)程是溶液中的正離子Cu2+沉積到Cu極上，使Cu極帶正電，成為電源的正極.CuSO4溶液中的一部分帶負(fù)電的硫酸根離子SO2-4聚集到Cu極的周?chē)?，與Cu極上的正電荷形成電偶極層，建立起靜電場(chǎng).這個(gè)電場(chǎng)的方向由Cu極指向溶液，阻止Cu2+沉積到Cu極上.當(dāng)電偶極層上正、負(fù)電荷積累得足夠多，就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)Cu極和CuSO4溶液之間也有一個(gè)恒定的電勢(shì)差，Cu極的電勢(shì)高，溶液的電勢(shì)低，也是一個(gè)電勢(shì)躍變，記作UAD.電池中Zn極處的溶解和Cu極處的沉積這兩種物理化學(xué)作用是非靜電力的來(lái)源.將單位正電荷從負(fù)極移到正極時(shí)，非靜電力需克服電場(chǎng)力做功，這就是電動(dòng)勢(shì)，它等于兩電偶極層處電勢(shì)躍變的和，即E=UAD+UCB.當(dāng)外電路未接通時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)電池，由△U=Ir=0，（r為溶液的內(nèi)阻），溶液內(nèi)各處的電勢(shì)都相等，只有在溶液和兩個(gè)電極相接觸的地方才存在電勢(shì)躍變，因此，電池內(nèi)部各處電位的變化情況如圖3所示.電池的端電壓為UAB=UAD+UCB=E.

當(dāng)把電池的兩極用導(dǎo)體連接起來(lái)時(shí)，如圖4所示，Zn極上的電子在電場(chǎng)力的作用下通過(guò)導(dǎo)體流到Cu極上去與正電荷中和.這時(shí)，由于Zn極的負(fù)電子減少，Zn極周?chē)恼x子Zn2+必有一部分會(huì)脫離電偶極層.結(jié)果，Zn極附近電偶極層內(nèi)的電場(chǎng)減弱，原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，這時(shí)非靜電力的作用超過(guò)電場(chǎng)力的作用，使Zn2+繼續(xù)溶解，因而，Zn極上的負(fù)電子和周?chē)芤褐械腪n2+及時(shí)得到補(bǔ)充，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，使Zn極附近的電勢(shì)躍變?nèi)匀槐３衷瓉?lái)的數(shù)值.同樣，Cu極所帶的正電荷因與Zn極流來(lái)的負(fù)電子中和而不時(shí)地減少，原來(lái)的平衡狀態(tài)遭到破壞.但非靜電力不斷使CuSO4溶液中的Cu2+沉積到Cu極上去，使電偶極層上的正、負(fù)電荷隨時(shí)得到補(bǔ)充，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，因而Cu極附近的電勢(shì)躍變也保持原來(lái)的數(shù)值.在溶液中由于Zn2+和Cu2+不斷地溶解和沉積，使得溶液中的正離子在Zn極附近較多，在Cu極附近較少，它們?cè)谌芤簝?nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，從而在C、D間形成一定的電勢(shì)差，與這個(gè)電勢(shì)差相應(yīng)的電場(chǎng)推動(dòng)正、負(fù)電荷流動(dòng)形成電流.若電流強(qiáng)度為I，電流在溶液中的內(nèi)阻為r，則在r兩端，也就是溶液兩邊C、D之間的電勢(shì)差為UCD=Ir.所以在做“研究電動(dòng)勢(shì)、外電壓、內(nèi)電壓三者之間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，如圖5所示要求測(cè)量?jī)?nèi)電壓的電壓表V2的探針必須靠近電源的兩個(gè)極板.電池內(nèi)部各處電勢(shì)的變化情況如圖6所示.這時(shí)的路端電壓為UAB=UAD+UCB-UCD=E-Ir，即UAB+Ir=E.這就是說(shuō)，以化學(xué)電池作電源的電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和.電池的正極和負(fù)極附近分別存在著化學(xué)反應(yīng)層，反應(yīng)層中的化學(xué)作用是非靜電力的來(lái)源，它把正電荷從電勢(shì)低處移至電勢(shì)高處，在這兩個(gè)地方，沿電流方向電勢(shì)分別有一個(gè)“躍升”.

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Zn極板上的Zn2+繼續(xù)向溶液溶解的速率會(huì)隨Zn極板附近的Zn2+濃度的升高而減小，同時(shí)Cu2+向Cu極板沉積的速率也減小，所以用過(guò)一段時(shí)間后的舊電池的電動(dòng)勢(shì)會(huì)減小.由于溶液中各處離子的濃度發(fā)生了變化，使舊電池的內(nèi)阻增大.

二、發(fā)電機(jī)

在發(fā)電機(jī)中，由于導(dǎo)體切割磁感線而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).如圖7所示，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)有一段長(zhǎng)為的導(dǎo)體CD以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的自由電子由于和導(dǎo)體一起運(yùn)動(dòng)，具有相同的運(yùn)動(dòng)速度v，因而受到洛倫茲力f=Bev的作用，其方向可根據(jù)右手定則判斷為由c指向D.由于這個(gè)力的作用，導(dǎo)體中的自由電子將移向D，從而在D端將有負(fù)電荷聚集，C端將因缺失電子而帶正電.這個(gè)正、負(fù)電荷在導(dǎo)體兩端分別聚集的過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行下去，直至由此在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)為止.此時(shí)，導(dǎo)體的兩端C、D之間具有了一定的電勢(shì)差，如同電源的兩極.可見(jiàn)，洛倫茲力在這里起著電源內(nèi)部非靜電力的作用.

電源電動(dòng)勢(shì)的大小等于非靜電力把單位正電荷從負(fù)極（D端）移到正極（C端）所做的功，所以電動(dòng)勢(shì)為E=W非e=BevΔle=B（Δl）v動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向應(yīng)是洛倫茲力移動(dòng)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，即從D指向C的方向.運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)體中的電子不但具有導(dǎo)體的速度v，還有沿導(dǎo)體向D端運(yùn)動(dòng)的速度v′，它的實(shí)際速度應(yīng)為 V=v+v′，設(shè)V與v的夾角為θ，則v=Vcosθ，v′=Vsinθ.由于v和v′的存在，電子受到的洛倫茲力分別為f=eVBcos和f ′=eVBsinθ，方向如圖8所示，它們的合力為F，F(xiàn)⊥V.設(shè)在△t時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)到圖中另一位置，電子從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)經(jīng)過(guò)的位移為ΔL，則f和f′所做的功分別為Wf=fΔLsinθ=eVBΔLsinθcosθ和Wf ′=-f ′ΔLcosθ=-eVBΔLsinθcosθ，可見(jiàn)f和f ′所做的總功Wf=Wf ′=0，即洛倫茲力所做的總功為零.那么電能又是從哪里來(lái)的呢？在使導(dǎo)體向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，外界必須以大小等于f ′、方向與f ′相反的力作用于導(dǎo)體，這個(gè)力所做的功恰為W非=eVBΔLsinθcosθ=eB（Vcosθ）（ΔLsinθ）=eBvΔl，因而E=W非e=BevΔle=BΔlv，這就是外力克服洛倫茲力的一個(gè)分量f ′所做的功通過(guò)它的另一分量f所作的功轉(zhuǎn)化為電能，即洛倫茲力的作用并不是提供能量，而只是傳遞能量.

當(dāng)導(dǎo)體不動(dòng)，因磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，非靜電力又是什么呢？英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋明確指出：變化的磁場(chǎng)能夠在它的周?chē)a(chǎn)生一種電場(chǎng)，叫做感應(yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合曲線，渦旋電場(chǎng)的電場(chǎng)力移動(dòng)電荷所做的功，就是非靜電力所做的功，也就是感生電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源.

電源都有兩個(gè)電極，電勢(shì)高的叫做正極，電勢(shì)低的叫做負(fù)極，非靜電力由負(fù)極指向正極.圖1是電源的一般原理圖.當(dāng)電源的兩電極被導(dǎo)體從外面連通后，在靜電力的推動(dòng)下形成由正極到負(fù)極的電流.在電源內(nèi)部，非靜電力的作用使電流從內(nèi)部由負(fù)極回到正極，使電荷的流動(dòng)形成閉合的循環(huán).

電源的類(lèi)型很多，不同類(lèi)型的電源中，形成非靜電力的過(guò)程不同：化學(xué)電池如干電池、蓄電池中，非靜電力與離子的溶解和沉積過(guò)程相聯(lián)系；普通的發(fā)電機(jī)中，非靜電力是電磁感應(yīng)作用；光電池中非靜電力的來(lái)源是光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng).下面分別介紹這幾類(lèi)電源的非靜電力的來(lái)源及其電動(dòng)勢(shì).

一、 化學(xué)電池

典型的化學(xué)電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，銅極和鋅極分別浸在硫酸銅溶液和硫酸鋅溶液中，兩種溶液盛在同一個(gè)容器里，中間用多孔的素瓷板隔開(kāi)，這樣，兩種溶液不容易摻混，而帶電的離子Cu2+、Zn2+和SO2-4卻能自由通過(guò).Zn極浸在ZnSO4溶液中時(shí)，發(fā)生了比較復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，Zn極上的正離子Zn2+溶解到溶液里，把負(fù)電子留在Zn極上，使Zn極帶負(fù)電，成為電源的負(fù)極.結(jié)果在溶液和Zn極之間形成電偶極層，電偶極層內(nèi)形成電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向由溶液指向Zn極，它阻止Zn2+移入ZnSO4溶液，即阻止溶解過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行.開(kāi)始時(shí)，隨著溶解的進(jìn)行.電偶極層上的正、負(fù)電荷逐漸增多，電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，對(duì)溶解的阻止作用也就逐漸加強(qiáng).當(dāng)電場(chǎng)加強(qiáng)到一定程度，兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)，電偶極層內(nèi)的電場(chǎng)不再變化，溶液和Zn極之間有恒定電勢(shì)差，溶液的電勢(shì)高，Zn極的電勢(shì)低.此電勢(shì)的變化發(fā)生在很短的距離上，叫做電勢(shì)躍變，記為UCB.在Cu極附近，相反的物理化學(xué)過(guò)程是溶液中的正離子Cu2+沉積到Cu極上，使Cu極帶正電，成為電源的正極.CuSO4溶液中的一部分帶負(fù)電的硫酸根離子SO2-4聚集到Cu極的周?chē)?，與Cu極上的正電荷形成電偶極層，建立起靜電場(chǎng).這個(gè)電場(chǎng)的方向由Cu極指向溶液，阻止Cu2+沉積到Cu極上.當(dāng)電偶極層上正、負(fù)電荷積累得足夠多，就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.這時(shí)Cu極和CuSO4溶液之間也有一個(gè)恒定的電勢(shì)差，Cu極的電勢(shì)高，溶液的電勢(shì)低，也是一個(gè)電勢(shì)躍變，記作UAD.電池中Zn極處的溶解和Cu極處的沉積這兩種物理化學(xué)作用是非靜電力的來(lái)源.將單位正電荷從負(fù)極移到正極時(shí)，非靜電力需克服電場(chǎng)力做功，這就是電動(dòng)勢(shì)，它等于兩電偶極層處電勢(shì)躍變的和，即E=UAD+UCB.當(dāng)外電路未接通時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)電池，由△U=Ir=0，（r為溶液的內(nèi)阻），溶液內(nèi)各處的電勢(shì)都相等，只有在溶液和兩個(gè)電極相接觸的地方才存在電勢(shì)躍變，因此，電池內(nèi)部各處電位的變化情況如圖3所示.電池的端電壓為UAB=UAD+UCB=E.

當(dāng)把電池的兩極用導(dǎo)體連接起來(lái)時(shí)，如圖4所示，Zn極上的電子在電場(chǎng)力的作用下通過(guò)導(dǎo)體流到Cu極上去與正電荷中和.這時(shí)，由于Zn極的負(fù)電子減少，Zn極周?chē)恼x子Zn2+必有一部分會(huì)脫離電偶極層.結(jié)果，Zn極附近電偶極層內(nèi)的電場(chǎng)減弱，原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，這時(shí)非靜電力的作用超過(guò)電場(chǎng)力的作用，使Zn2+繼續(xù)溶解，因而，Zn極上的負(fù)電子和周?chē)芤褐械腪n2+及時(shí)得到補(bǔ)充，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，使Zn極附近的電勢(shì)躍變?nèi)匀槐３衷瓉?lái)的數(shù)值.同樣，Cu極所帶的正電荷因與Zn極流來(lái)的負(fù)電子中和而不時(shí)地減少，原來(lái)的平衡狀態(tài)遭到破壞.但非靜電力不斷使CuSO4溶液中的Cu2+沉積到Cu極上去，使電偶極層上的正、負(fù)電荷隨時(shí)得到補(bǔ)充，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，因而Cu極附近的電勢(shì)躍變也保持原來(lái)的數(shù)值.在溶液中由于Zn2+和Cu2+不斷地溶解和沉積，使得溶液中的正離子在Zn極附近較多，在Cu極附近較少，它們?cè)谌芤簝?nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，從而在C、D間形成一定的電勢(shì)差，與這個(gè)電勢(shì)差相應(yīng)的電場(chǎng)推動(dòng)正、負(fù)電荷流動(dòng)形成電流.若電流強(qiáng)度為I，電流在溶液中的內(nèi)阻為r，則在r兩端，也就是溶液兩邊C、D之間的電勢(shì)差為UCD=Ir.所以在做“研究電動(dòng)勢(shì)、外電壓、內(nèi)電壓三者之間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，如圖5所示要求測(cè)量?jī)?nèi)電壓的電壓表V2的探針必須靠近電源的兩個(gè)極板.電池內(nèi)部各處電勢(shì)的變化情況如圖6所示.這時(shí)的路端電壓為UAB=UAD+UCB-UCD=E-Ir，即UAB+Ir=E.這就是說(shuō)，以化學(xué)電池作電源的電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和.電池的正極和負(fù)極附近分別存在著化學(xué)反應(yīng)層，反應(yīng)層中的化學(xué)作用是非靜電力的來(lái)源，它把正電荷從電勢(shì)低處移至電勢(shì)高處，在這兩個(gè)地方，沿電流方向電勢(shì)分別有一個(gè)“躍升”.

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Zn極板上的Zn2+繼續(xù)向溶液溶解的速率會(huì)隨Zn極板附近的Zn2+濃度的升高而減小，同時(shí)Cu2+向Cu極板沉積的速率也減小，所以用過(guò)一段時(shí)間后的舊電池的電動(dòng)勢(shì)會(huì)減小.由于溶液中各處離子的濃度發(fā)生了變化，使舊電池的內(nèi)阻增大.

二、發(fā)電機(jī)

在發(fā)電機(jī)中，由于導(dǎo)體切割磁感線而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).如圖7所示，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)有一段長(zhǎng)為的導(dǎo)體CD以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的自由電子由于和導(dǎo)體一起運(yùn)動(dòng)，具有相同的運(yùn)動(dòng)速度v，因而受到洛倫茲力f=Bev的作用，其方向可根據(jù)右手定則判斷為由c指向D.由于這個(gè)力的作用，導(dǎo)體中的自由電子將移向D，從而在D端將有負(fù)電荷聚集，C端將因缺失電子而帶正電.這個(gè)正、負(fù)電荷在導(dǎo)體兩端分別聚集的過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行下去，直至由此在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)為止.此時(shí)，導(dǎo)體的兩端C、D之間具有了一定的電勢(shì)差，如同電源的兩極.可見(jiàn)，洛倫茲力在這里起著電源內(nèi)部非靜電力的作用.

電源電動(dòng)勢(shì)的大小等于非靜電力把單位正電荷從負(fù)極（D端）移到正極（C端）所做的功，所以電動(dòng)勢(shì)為E=W非e=BevΔle=B（Δl）v動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向應(yīng)是洛倫茲力移動(dòng)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，即從D指向C的方向.運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)體中的電子不但具有導(dǎo)體的速度v，還有沿導(dǎo)體向D端運(yùn)動(dòng)的速度v′，它的實(shí)際速度應(yīng)為 V=v+v′，設(shè)V與v的夾角為θ，則v=Vcosθ，v′=Vsinθ.由于v和v′的存在，電子受到的洛倫茲力分別為f=eVBcos和f ′=eVBsinθ，方向如圖8所示，它們的合力為F，F(xiàn)⊥V.設(shè)在△t時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)到圖中另一位置，電子從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)經(jīng)過(guò)的位移為ΔL，則f和f′所做的功分別為Wf=fΔLsinθ=eVBΔLsinθcosθ和Wf ′=-f ′ΔLcosθ=-eVBΔLsinθcosθ，可見(jiàn)f和f ′所做的總功Wf=Wf ′=0，即洛倫茲力所做的總功為零.那么電能又是從哪里來(lái)的呢？在使導(dǎo)體向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，外界必須以大小等于f ′、方向與f ′相反的力作用于導(dǎo)體，這個(gè)力所做的功恰為W非=eVBΔLsinθcosθ=eB（Vcosθ）（ΔLsinθ）=eBvΔl，因而E=W非e=BevΔle=BΔlv，這就是外力克服洛倫茲力的一個(gè)分量f ′所做的功通過(guò)它的另一分量f所作的功轉(zhuǎn)化為電能，即洛倫茲力的作用并不是提供能量，而只是傳遞能量.

當(dāng)導(dǎo)體不動(dòng)，因磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，非靜電力又是什么呢？英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋明確指出：變化的磁場(chǎng)能夠在它的周?chē)a(chǎn)生一種電場(chǎng)，叫做感應(yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合曲線，渦旋電場(chǎng)的電場(chǎng)力移動(dòng)電荷所做的功，就是非靜電力所做的功，也就是感生電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源.