晏 鵬

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

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中學(xué)物理教學(xué)

非靜電力在不同電源中來源的探究

晏 鵬

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

非靜電力在不同的電源內(nèi)物理本質(zhì)是不同的，然而在任何一種電源內(nèi)究其宏觀效應(yīng)都有電荷的運(yùn)動(dòng)和聚集的驅(qū)使現(xiàn)象發(fā)生， 此“驅(qū)使”從效果上看相當(dāng)于一種力的作用，能量轉(zhuǎn)換相當(dāng)做功的結(jié)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(jié)“電動(dòng)勢(shì)”內(nèi)容里，談到是非靜電力使正電荷從負(fù)極移動(dòng)到正極，從而使電路中存在持續(xù)電流．課堂上很多學(xué)生對(duì)“非靜電力”這個(gè)名稱感到新奇并很感興趣，對(duì)其來源也有進(jìn)一步探索的欲望．對(duì)于這個(gè)問題，課本上沒有詳細(xì)說明，只是很籠統(tǒng)地說“在電池中，非靜電力是化學(xué)作用，它使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能；在發(fā)電機(jī)中，非靜電力是電磁作用，它使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能．”學(xué)生對(duì)這個(gè)籠統(tǒng)的說法顯然并不滿意．基于這個(gè)原因，筆者課后對(duì)有代表性的幾種電池和發(fā)電機(jī)中涉及非靜電力的內(nèi)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(duì)感興趣的同學(xué)有所幫助，對(duì)同行在備課時(shí)有一點(diǎn)可借鑒之處．

1 Cu─H2SO4─Zn原電池

這種電池是最簡(jiǎn)單的化學(xué)電池，如圖1所示．它的導(dǎo)電原理與其他化學(xué)電池的原理基本一致．Cu─H2SO4─Zn原電池的結(jié)構(gòu)如下.

圖1 Cu─H2SO4─Zn原電池結(jié)構(gòu)

電解槽中有稀H2SO4溶液．Zn片為電池負(fù)極，Cu片為電池正極．在兩極分別發(fā)生反應(yīng)：

正極 2H++2e→H2↑

負(fù)極 Zn-2e→Zn2+

化學(xué)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(xué)電池其正負(fù)極和電解質(zhì)的材料不同，但從電解質(zhì)中離子運(yùn)動(dòng)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(lián)系的化學(xué)作用．

2 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)的發(fā)電部分基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 發(fā)電機(jī)發(fā)電部分基本結(jié)構(gòu)

如圖2，線框abcd在永磁體形成的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，按照電磁感應(yīng)定律，ab邊和cd邊會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過電刷使外電路的小燈泡發(fā)光．線框內(nèi)的電動(dòng)勢(shì)是由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生，從微觀角度看，是自由電荷在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生了定向移動(dòng)．在這里，洛倫茲力提供了電荷運(yùn)動(dòng)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(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所受非靜力的分析

如圖3所示，導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中沿x方向運(yùn)動(dòng)．不考慮電子的熱運(yùn)動(dòng)，電子受力如圖所示，F(xiàn)B是電子受到的洛倫茲力，F(xiàn)j是晶格對(duì)電子的橫向約束力，F(xiàn)d是電荷縱向分布產(chǎn)生的電場(chǎng)力．

電子在x方向的運(yùn)動(dòng)速度為v，在y方向的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，F(xiàn)y使電子產(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng)．由此可以看出，是FB與Fj的合力沿y方向，使電子向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)．所以，對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，是洛倫茲力與晶格對(duì)電荷的橫向約束力在y軸方向的合力提供了產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力，電子縱向分布形成的電場(chǎng)力阻礙電子定向運(yùn)動(dòng)，該電場(chǎng)力隨電荷積累而增大，當(dāng)它與上述外靜電力等大反向時(shí)，導(dǎo)體棒兩端電荷達(dá)到穩(wěn)定分布．

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的線框或磁體稱為轉(zhuǎn)子，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力可以將發(fā)電機(jī)分為水力、火力、風(fēng)力等等，但基本原理都是如上所述．所以，對(duì)于一般發(fā)電機(jī)，其非靜電力都是由洛倫茲力、晶格對(duì)電荷的橫向約束力和電子縱向分布形成的電場(chǎng)力在導(dǎo)體棒方向的合力．所以在技術(shù)上，有時(shí)也把發(fā)電機(jī)稱為電磁感應(yīng)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(dǎo)體材料制成，能將太陽能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能的電池．根據(jù)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(jiǎn)要說明其原理．

根據(jù)半導(dǎo)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(dòng)的是空穴(相當(dāng)于正電荷，圖中都當(dāng)作正電荷處理)，n型硅中可自由移動(dòng)的是電子．如圖4所示，當(dāng)兩種硅的薄片靠近時(shí)，在交界處由于正負(fù)電荷的吸引而產(chǎn)生pn結(jié)，pn結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)由p型硅指向n型硅．將硅處于光照下，pn結(jié)附近的自由電子和空穴吸收光子能量有了較大的動(dòng)能，在電場(chǎng)力的作用下掙脫彼此半導(dǎo)體的溢出功到達(dá)對(duì)方．這樣，n型半導(dǎo)體內(nèi)就有了多余的正電荷形成硅光電池的正極，p型半導(dǎo)體內(nèi)就有了多余的負(fù)電荷形成硅光電池的負(fù)極．如果我們提供一個(gè)外部電流通路，則電子會(huì)經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)(n側(cè))，在那里與電場(chǎng)發(fā)送的空穴合并，并在流動(dòng)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(jié)中的電場(chǎng)力提供了電子和空穴運(yùn)動(dòng)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(nèi)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能的裝置．這種電池在航天技術(shù)中有較多的應(yīng)用．溫差電池的材料有金屬和半導(dǎo)體兩種．用半導(dǎo)體材料制成的溫差電池，熱電轉(zhuǎn)換率更高，應(yīng)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(dǎo)體材料的一端結(jié)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(fā)作用下，兩塊半導(dǎo)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(qū)動(dòng)下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，使兩片半導(dǎo)體材料在冷端形成電勢(shì)差．只要兩種材料在冷端和熱端存在穩(wěn)定的溫差，那么兩種材料在冷端就存在穩(wěn)定的電勢(shì)差，這就相當(dāng)于電池的兩級(jí)．將兩級(jí)接入電路，就會(huì)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(lián)系的擴(kuò)散作用．

圖5 溫差電池中的非靜電力分析

以上對(duì)幾種較典型的電源簡(jiǎn)要分析了其原理并對(duì)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(nèi)物理本質(zhì)是不同的，然而在任何一種電源內(nèi)究其宏觀效應(yīng)都有電荷的運(yùn)動(dòng)和聚集的驅(qū)使現(xiàn)象發(fā)生， 此“驅(qū)使”從效果上看相當(dāng)于一種力的作用，能量轉(zhuǎn)換是此種相當(dāng)力做功的結(jié)果．非靜電力在一些情況下是以可用牛頓力學(xué)觀念描述的一個(gè)力或幾個(gè)力的合力的形式呈現(xiàn)出來，如發(fā)電機(jī)內(nèi)的非靜電力；非靜電力在另一些情況下則不是一種能簡(jiǎn)單地用牛頓力學(xué)觀念描述的“實(shí)在力”，而以超出牛頓力學(xué)觀念的復(fù)雜得多的作用形式與機(jī)理呈現(xiàn)出來,如本文中幾次提到的“擴(kuò)散力”，這實(shí)際上是一種更為復(fù)雜的量子理論方面的作用．因此籠統(tǒng)地想找出能用牛頓力學(xué)觀念描述的非靜電性的其它力來說明電源內(nèi)的非靜電力的非靜電性是不恰當(dāng)?shù)模?/p>