陳丹燕 何海明

(紹興市第一中學(xué) 浙江 紹興 312000 )

在新課程電動勢教學(xué)中，教師們經(jīng)常這樣描述電流的形成：電源的正極有大量正電荷，負(fù)極有大量的負(fù)電荷；閉合外電路后，電源兩極上的電荷對外電路建立一個(gè)電場，使導(dǎo)體中的電荷做定向移動；在內(nèi)電路，電荷在非靜電力作用下做定向運(yùn)動.這樣的描述有沒有科學(xué)性錯(cuò)誤？電池的兩極究竟有沒有帶靜電荷？可把此問題稱之為電勢之謎和電荷之謎.這兩個(gè)問題關(guān)系到電路的電勢分布和電場線分布.只有弄清電路電勢分布規(guī)律和電場分布規(guī)律，才能解開這兩個(gè)疑問.下面我們逐一探究這兩個(gè)問題.

1 閉合電路的電勢升降是怎樣形成的

高中物理新課標(biāo)教材3-1里面有一幅閉合電路的電勢分布圖(圖1).這個(gè)電勢分布是怎樣形成的？我們以銅-鋅電池為例加以說明.

圖1 原電勢分布圖

當(dāng)鋅片和銅片插入稀硫酸溶液內(nèi)，鋅離子進(jìn)入溶液，鋅片帶上負(fù)電荷.在鋅的表面附近，鋅離子和鋅片之間構(gòu)成一層極薄的電偶層，這個(gè)電偶層也叫雙電層.鋅片上的電偶層的電場方向指向鋅板.類似銅片和電解質(zhì)溶液作用也形成雙電層，但與鋅電極相反，雙電層的電場方向離開銅片指向溶液.雙電層之間的電勢差就是電極的電極電勢.一般以標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢為零，單質(zhì)銅和銅離子構(gòu)成的氧化還原電對，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為ε1=+0.34 V.單質(zhì)鋅和鋅離子構(gòu)成的氧化還原電對，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為ε2=-0.76 V.電極電勢的總和為電源的電動勢，標(biāo)準(zhǔn)狀況下銅-鋅電池電動勢為

ε=(φCu-φ0)+[φ0-(-φZn)]=

φCu+φZn=ε1-ε2ε1+ε2=1.1 V

這個(gè)電動勢大小與電解質(zhì)溶液無關(guān)，完全由電極的材料所決定，如圖2所示.

圖2 銅-鋅電池開路情況

電源開路時(shí)內(nèi)電路沒有電流，電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子濃度均勻分布，整個(gè)電解質(zhì)溶液是一個(gè)等勢體，鋅板附近的電勢和銅板附近的電勢是相等的，內(nèi)電路沒有電勢降落.

電路閉合時(shí)，由于電解質(zhì)溶液的內(nèi)電阻有電勢降落，電解質(zhì)溶液內(nèi)部的正負(fù)離子濃度不再均勻分布，呈現(xiàn)梯度變化；靠近負(fù)極鋅板電勢高，靠近正極銅板電勢低.電極附近的電偶層相當(dāng)于一個(gè)“電泵”，源源不斷地輸運(yùn)電荷，提升電勢能，維持電偶層的電勢差恒定不變，保持電荷量的動態(tài)平衡.這便是我們所說的非靜電力做功，它僅僅發(fā)生在電偶層上，而不是在整個(gè)內(nèi)電路.

弄清了電池內(nèi)部的工作機(jī)理，不難理解全電路的電勢分布圖1.圖1中線段AD表示電池正極的電極電勢ε2=φA-φD;線段CB表示電池負(fù)極的電極電勢ε1=φC-φB;線段CD表示內(nèi)電路上的電勢降落.內(nèi)電路電阻包括電解液的電阻、電極電阻和接觸電阻等.曲線則表示外電路的電勢降落.

圖3 銅-鋅電池閉合電路

2 電源的電極究竟有沒有靜電荷

判斷物體是否帶電有兩個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)方法看它能不能吸引輕小的物體，或者能否使驗(yàn)電器的箔片張開.可是，我們從來沒有看到過干電池的電極會吸引輕小的物體，哪怕是碎紙屑或頭發(fā)絲.用電池的一個(gè)電極去觸碰驗(yàn)電器的引電小球，驗(yàn)電器箔片也不會張開.這是因?yàn)殡姵氐碾姌O上帶電荷量太少，還是電極上本來就沒有靜電荷？

帶電物體吸引輕小物體，其機(jī)理是帶電體的靜電場對輕小物體發(fā)生極化；不均勻的外電場對極化電荷作用.因?yàn)榇嬖陔妶鎏荻?，輕小物體總是被帶電物體所吸引.驗(yàn)電器用接觸法驗(yàn)電，帶電體的一部份電荷通過引電小球轉(zhuǎn)移到驗(yàn)電器箔片，使箔片張開.驗(yàn)電器等效于一個(gè)小容量電容器，帶電物體是一個(gè)孤立導(dǎo)體，也可以看作是個(gè)電容器，因?yàn)楣铝㈦妼?dǎo)體的電容非常小.靜電荷根據(jù)電容大小分配，所以帶電體的大部分電荷轉(zhuǎn)移到驗(yàn)電器上，使驗(yàn)電器的箔片張開.

現(xiàn)再來看電池的電極，在電源開路的情況下，電極附近雖然產(chǎn)生了電偶層，分離了等量正、負(fù)電荷.但是，這個(gè)電偶層的電場是封閉的，它不可能極化附近的輕小物體，從而產(chǎn)生吸引現(xiàn)象.從這一角度來說，應(yīng)該把電極附近的電偶層和電極本身作為一個(gè)整體來看.因?yàn)殡姌O沒有對外的開放電場，對外不顯示電性，所以說電源開路時(shí)電極不帶靜電荷.

電路閉合時(shí)電源工作，電偶層的電極電勢并沒有改變，但電偶層不斷地輸送電荷，把電荷從低電勢能輸送到高電勢能，形成穩(wěn)定的電流.電偶層等效于一個(gè)“電泵”，由于“電泵”的輸運(yùn)，電偶層上的電荷達(dá)到一個(gè)動態(tài)平衡.從電場線的角度分析可更能清晰地看出閉合電路電荷的分布情況.不考慮電極和導(dǎo)線上的電阻，電極和導(dǎo)線上應(yīng)該沒有電勢降落，電極和導(dǎo)線內(nèi)部也沒有電場線和凈電荷分布.電勢降落在外電路電阻上，外電阻兩端積累了凈電荷，高電勢一端帶正電，低電勢一端帶負(fù)電，電場線由高電勢指向低電勢.在電源內(nèi)部，氫離子在正極放電而消耗，放出氫氣；在負(fù)極上，鋅離子溶解進(jìn)入溶液，結(jié)果造成內(nèi)電路的離子濃度不均勻，出現(xiàn)電勢梯度;電場方向由電池的負(fù)極指向正極，如圖4所示.把內(nèi)電路的電解質(zhì)溶液等效為一個(gè)電阻，電解質(zhì)溶液中的電勢梯度即為內(nèi)壓降.從上面的分析我們知道，電池工作時(shí)電極上同樣沒有多余的凈電荷，沒有對外的開放電場.所以，不管電池有沒有工作，電池的正、負(fù)電極上都不帶凈電荷.

圖4 電源工作原理示意圖

我們還可以看出，稀硫酸做銅-鋅電池的電解質(zhì)溶液是不合適的，因?yàn)樵阢~板上產(chǎn)生的氫氣會阻斷電流，產(chǎn)生極化現(xiàn)象.比較實(shí)用的銅-鋅電池是采用雙電解質(zhì)溶液，將鋅片插入硫酸鋅溶液里，銅片插在硫酸銅溶液中，再用鹽橋構(gòu)成離子通道，聯(lián)成內(nèi)電路，以消除極化現(xiàn)象.