电源内部的电场分布

电源内部的电场分布安徽省萧县中学李峰核心提示：并不能认为电源内电势均匀地连续的分布着，总是存在着由正极指向负极的电场。在电源内，也并非由“非静电力”把直接把正电荷由负极传送到电源正极......普通高中课程标准《物理》实验教科书（人民教育出版社，2010年4月第三版），第二章第二节，关于电源的电动势，有这样一段叙述:“由于正、负极总保持一定数量的正、负电荷，所以电源内部总存在着由正极指向负极的电场。在这个电场中，正电荷所受的静电力阻碍它继续向正极移动。因此在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。”其彩色插图电源部分如图1：图1本人认为：教材对电动势和电源内部电场分布不加区别,不加分析的作如此笼统的概括的叙述，不仅不符合电源内部实际电场分布，还给学生认识和理解电源内部电场造成知识和思维上的混乱，更增加了理解电源电动势的难度。下面我们以蓄电池为例，分析电动势的产生及电源内部的电场分布。我们知道，蓄电池产生电动势的基本原理都是相同的.都是靠作为正、负两极的不同材质的金属板（棒，下略）和与金属板附近的电解液之间的化学作用，即“非静电力”将金属板和电解液中正、负电荷分离，在极板附近产生电偶极层，形成电势差，从而完成将化学能转化为电能的过程。而正负两电极电势差之和，就是该电源的电动势。当电路断开时，在电源负极，在“非静电力”作用下，金属离子与电子分离。进入电解液的正离子与留在金属棒上的电子形成电偶极层，在此电偶极层中，电场方向由极层上正离子指向负极极板，这一电场阻碍金属离子的进一步分离。当电场力与“非静电力”达到动态平衡时，溶液与电极间形成相对稳定的电势差，即在电源负极处形成一次电势跃变，记作UCD。而发生电势跃变的空间尺度应当是很小的。同理，在电源正极，电极与电解液产生化学作用，溶液中正离子积聚到电源正极。使正极上积聚的正离子与正极附近电解液中负离子形成电偶极层，电场方向由正极指向溶液，这一电场阻碍正离子在正极进一步聚集。当电场力与使溶液中正离子积聚到正极上的化学力即“非静电力”达到动态平衡时，正极与电解液间形成相对稳定的电势差，即在正极附近也形成一次电势跃变，其电势差记作UAB。同样，发生此电势跃变的空间尺度也很小。如图2:图2以上分析可以看出，在电源内部，除了AB间存在着由A指向B，CD间存在着由C指向D的电场外，相对于AB，CD发生电势跃变的电偶极层更为广大的BC区域内，并不存在着由负极指向正极的电场。AB与CD两个电偶极层的电荷在BC区间产生的电场方向相反，合场强为零。各处电势相等，电源电动势等于两电极处电势跃变之和。即E=UAB+UCD。当外电路接通时，负极上电子沿外电路流向正极，形成由正极流向负极的电流。而在电源内部，负极上电子减少，必然有与之形成电偶的正离子脱离电偶极层进入电源内部的电解液，动态平衡破坏。在“非静电力”作用下，负极又将释放新的正离子使得负极上的电子得到补充，以达到新的动态平衡，使得电偶极层上电势跃变，仍然保持为UCD不变。而在电源正极，外电路流入的电子与极板上正电荷中和，原来的动态平衡被打破。在“非静电力”的化学作用下，又将有新的液体中正离子不断沉积到极板上来，以达到新的动态平衡，使得电偶极层上电势跃变，仍保持UAB不变。在发生这一变化过程中，负极附近溶液中正离子增多。而在正极附近的溶液中，由于不断有正离子沉积到极板上，剩余较多的负离子。从而形成一个由负极电偶极层上正电荷层指向正极处电偶极层负电荷层处的电场。正是这个电场力，在电源内部把负极处电极释放的正电荷，从电源内由负极电偶极层C处移动到正极的电偶极层的B处。这时电源内，负极电偶极层C处的电势将高于正极处电偶极层B处的电势。这时电偶极层B到C区间内的电场，非但不是由正极指向负极，而是相反，是由负极指向正极，即由C指向B。正是依靠这一电场力的作用，才使得正电荷在电源内由负极的C处移动到正极的B处。如图3：图3而且，在这一过程中，要消耗电势能对电荷做功。电势降落U内=Ir（I为电路中电流强度，r为电源内电阻）。E=UAB+UBC而对外输出的电压则只有U=E-U内=UAB+UBC-Ir。当给电源充电时，在电源负极，电子增多，原来的平衡被打破。金属离子还原为原子附着在极板上，电解液中带正电的金属离子流向电源负极。在化学作用下达到新的动态平衡，电势差仍为UCD，在正极板处，电流从正极流入，动态平衡被打破。正电荷进入电解液，与电偶极层处负离子相中和，在“非静电力”的化学作用下，电解液中分解出新的负离子来补偿，建立新的动态平衡。电偶极层处电势差仍为UAB，而由于两极附近正负离子的变化，溶液中产生新的电场。电场方向由正极指向负极，即由B指向C。在电场力作用下，在电解液中形成大小为I的电流。BC间的电势差为UBC=Ir。r为BC间电解液的电阻，即电源内电阻。这时两极间电动势仍为E=UAB+UCD，两极间电压U=UAB+UCD+UBC=E+Ir，如图4:图4从以上分析可以看出，电路断开时，电源内电场强度为零；当电路接通，电源对外供电时，电源内部电场实际上是由负极指向正极处；只有外电路对电源充电时，电源内部才真正存在着由正极指向负极的电场。电场并非均匀的分布于整个电源内部。诚然，电源正极电势中高于负极电势，那是经过两电极附近，由于“非静电力”的化学作用产生的电势跃变获得的。并不能认为电源内电势均匀地连续的分布着，总是存在着由正极指向负极的电场。在电源内，也并非由“非静电力”把直接把正电荷由负极传送到电源正极，在外电路接通时，而是由电场力把正电荷由负极送到正极。