非靜電力在不同電源中來源的探究

晏 鵬

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

?

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)“電動勢”內(nèi)容里，談到是非靜電力使正電荷從負(fù)極移動到正極，從而使電路中存在持續(xù)電流．課堂上很多學(xué)生對“非靜電力”這個名稱感到新奇并很感興趣，對其來源也有進(jìn)一步探索的欲望．對于這個問題，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)化為電勢能．”學(xué)生對這個籠統(tǒng)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(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，希望對感興趣的同學(xué)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(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中轉(zhuǎn)動，按照電磁感應(yīng)定律，ab邊和cd邊會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過電刷使外電路的小燈泡發(fā)光．線框內(nèi)的電動勢是由于電磁感應(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．在這里，洛倫茲力提供了電荷運(yùn)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(dǎo)體在磁場中運(yùn)動，所受非靜力的分析

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

電子在x方向的運(yùn)動速度為v，在y方向的運(yùn)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(yùn)動，F(xiàn)y使電子產(chǎn)生縱向運(yùn)動．由此可以看出，是FB與Fj的合力沿y方向，使電子向下運(yùn)動產(chǎn)生電動勢．所以，對于發(fā)電機(jī)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(chǎn)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(yùn)動，該電場力隨電荷積累而增大，當(dāng)它與上述外靜電力等大反向時，導(dǎo)體棒兩端電荷達(dá)到穩(wěn)定分布．

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動的線框或磁體稱為轉(zhuǎn)子，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力可以將發(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，對于一般發(fā)電機(jī)，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(dǎo)體棒方向的合力．所以在技術(shù)上，有時也把發(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型硅中可自由移動的是電子．如圖4所示，當(dāng)兩種硅的薄片靠近時，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能，在電場力的作用下掙脫彼此半導(dǎo)體的溢出功到達(dá)對方．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．如果我們提供一個外部電流通路，則電子會經(jīng)過該通路，流向它們的原始側(cè)(n側(cè))，在那里與電場發(fā)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(jié)中的電場力提供了電子和空穴運(yùn)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(nèi)能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置．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)定的電勢差，這就相當(dāng)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(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(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)觀念描述的一個力或幾個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單地用牛頓力學(xué)觀念描述的“實在力”，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>