对几种典型电源非静电力的探析

　　人教版教材选修3—1电动势一节提出：“电源内要使正电荷向正极移动，就一定要有非静电力作用于电荷才行。”“电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。”那么不同电源内部“非静电力”究竟是何种作用力，书中仅提出：“电池中，非静电力是化学作用，发电机中，非静电力是电磁作用。”并没有细致的分析，包括教参上也没有深入介绍。学生只要知道在电源内部存在这种作用力即可，不必深究，但是教师还是要站在更高的位置去理解“非静电力”。不同电源内部的非静电力是如何产生的？不同电源中的非静电力究竟是何种性质的力？下面就对比较典型的丹聂尔电池的非静电力、动生电动势的非静电力、感生电动势的非静电力进行分析。
　　1.电源的作用
　　首先“非静电力”是我们为了区别静电场对电荷的静电力而这样定义的，其方向是在电源内部从低电势点指向高电势点。根据形成电流的条件，除了导体内有可以移动的自由电荷外，还需要在导体内维持一个稳恒的电场，而要维持一个稳恒的电场，仅靠静电力的作用是不行的。如图1，在静电场中，电势不同的两个导体P、Q，若用导线联接，只能在一瞬间有电荷移动，形成瞬时电流，而后很快就达到静电平衡，形成一等势体。因此，要维持一个稳定的电流，必须有静电力以外的作用，即“非静电力”。电源则是电路中提供“非静电力”的装置，而电动势是描写电源的“非静电力”作功本领的物理量。如图2所示，以正电荷为例，在外部电路中正电荷在静电力的作用下由电源正极向电源负极做定向移动，而把运动至电源负极的正电荷再“搬运”回负极形成恒定的电流，则是由电源内部的非静电力做功来完成的。
　　因此电源的作用，从力学角度分析，在一个闭合电路中，电源就是能够提供非静电力的装置。若从能量转换的角度分析，电源就是能够为电路提供电能的装置。电源提供的电能是从其他形式的能量通过非静电力对电荷作功转化而来的。不同的电源形成非静电力的原因不同，能量转换的形式也不同。在不同电源里，这种非静电力具有不同的本质。
　　2.电池中的非静电力
　　下面以丹聂尔电池为例来分析电池内部的非静电力来源。如图3所示，将锌板插在ZnSO溶液内，铜板插在CuSO溶液内，用一块隔板将一个容器分为两部分，阻止ZnSO与CuSO二种溶液自行混合。
　　根据能斯特理论：金属有溶解成离子的倾向，这种倾向可以用一假想的溶解压强P来量度；电解质中的离子也有淀积到金属电极上的倾向，这种倾向可以用溶液的渗透压强P来量度P与P的相对大小关系，就可判定金属电极是否带电，以及所带电的符号。［１］当P＞P时金属溶解于溶液而成为离子，当P＜P时溶液中的离子沉淀于金属表面。按照能斯特理论，电池中的非静电力就是金属的“溶解压强”P与离子的“渗透压强”P的大小之差。根据图3，简单点说：由于Zn的溶解压强大于ZnSO溶液中成为Zn离子的渗透压强，因此金属Zn溶解于ZnSO溶液成为离子，而把两个电子留在锌板与溶液的界面。从而Zn极带负电。由于Cu离子的渗透压强大于铜的溶液压强，因此铜离子将淀积在铜板表面，并获得正电荷，从而Cu极带正电，从而两极间产生电势差。在此过程中将化学能转化为电能。
　　3.动生电动势的非静电力
　　如图4所示，放在匀强磁场B中的导体棒AB，无摩擦地向右以速度v做匀速直线运动（金属框架及AB棒的电阻均忽略不计），根据法拉第电磁感应定律，在AB棒中产生了稳定的动生电动势E=BLv。下面我们来分析动生电动势的产生过程。金属导体中的自由电子随金属导体AB向右以速度v匀速运动，自由电子受到一向下的洛伦兹力f，使自由电子向下堆积，使得A、B两端出现多余的正电荷与负电荷，因此在金属导体内部产生一附加电场。从而自由电子不仅受到洛伦兹力的作用，而且受到静电力的作用，随着AB两端堆积的电荷逐渐增加，附加场强逐渐增大，电子受到的静电力逐渐增大，当静电力等于洛伦兹力时，形成稳定电场，AB两端产生恒定的电动势，可见对于金属棒AB这一电源，其内部非静电力则是克服静电力对电荷做功的洛伦兹力。
　　洛伦兹力怎么做功了？怎么解释这个矛盾呢？f是由速度v引起的，它不能改变v的大小，也不在v的方向上对电子做功但却可以改变u（电子相对于导体的运动速度）的大小，在u方向上对电子做功。而F不改变u的大小，但改变v的大小，并在v的方向上对电子做功。由于f做正功而F做负功。设导体电荷密度为n，导体棒的长度为L，截面积为s，则洛伦兹力的功率为：P=-Nfu，其中f=Bqv，粒子数N=nLs，所以洛伦兹力的功率P=-nLsBqVu。安培力的功率P=Fv，其中，F=BIL，电流的微观表达式I=nqsu，因此安培力的功率P=-nLsBqvu，所以P=-P。
　　相同时间内W=-W，两个洛伦兹力所做的总功为零，因此这并不违背洛伦兹力不做功的基本原理。
　　4.感生电动势的非静电力
　　如图5所示，设磁感应强度为B，且均匀增加。根据麦克斯韦电磁场理论，在磁场周围空间会产生平行于原面的感生电场。需要注意的是这里的感生电场并非静电场，根据场方程：E·dl=0及 E·dl=-·ds，［２］可以判断感生电场的电场线是无头无尾的闭合同心圈，就像漩涡一样。它们的主要区别是静电场为保守场，而感生电场为非保守场。导线中的自由电子在这个感生电场的电场力F的作用下，移向导线的A端而出现负电荷的积累形成负极，B端因失去自由电子而出现正电荷的堆积形成正极，如图5所示。同时，因电荷的堆积，在线圈的A、B间又形成了一个方向与感生电场相反的静电场。这个静电场随电荷的堆积而渐增强，导线中的每个自由电子同时受到感生电场的电场力和方向相反的静电场的电场力，当二力相等时，在导体两端产生稳定的电势差即为感生电动势。ε= E·dl=-·ds=-，因此感生电动势的非静电力是感生电场的电场力，是不同于静电力的非静电力，通过感生电场的电场力做功将磁场能转化为电能。
　　通过以上分析可以比较清晰地明确这三种典型电源中非静电力的产生和非静电力的性质，可以使教师在教学中站在更高的角度去把握该知识点。同时也建议在选修3—2“法拉第电磁感应定律”之后引导掌握比较好的学生作进一步分析，从而更全面深刻地认识非静电力。
　　
　　参考文献：
　　［1］谢实崇.电池电动势与非静电力［J］.四川师范学院学报（自然科学版），2000，21，（2）：158.
　　［2］阎金铎.中国中学教学百科全书物理卷［M］.沈阳：沈阳出版社，1990：232.