电源论.docx

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电源论

电  源  论

广东省博罗县高级中学（516100）  林海兵

摘要：

在非静电力的作用下，电源内部的电荷没有向电源两极发生了定向移动；电源两极内没有等量异种电荷；没有接通外电路的电源内部没有静电场；电源的电动势不是静电场的电势差的结果；非静电力作用的结果与静电力作用结果不相同。

关键词：

电源、电动势、非静电力、原子极化、极化电动势

一讲到电源，我们都知道它是一种把其他形式能量转化为电能的装置，它的主要功能是实现能量的转化。

要实现电能的输出，要在导体用电器上产生电流的流动，就必须在导体用电器两端加之以电势差（电压），而且如果要使用电器持续稳定地工作下去，该电势差就必须稳定不变。

电源就是一种可以实现给用电器两端加上稳定电势差的装置。

我们还知道，电源内部有一种力，这种力被称为非静电力，在对电荷做功，在外电路闭合的情况下，非静电力会把电子源源不断地从电源正极向负极搬运而做功，从而产生电流，为了描述电源的非静电力搬运电荷做功能力的大小，人们定义了一个物理量——电动势。

我们还知道，任何一个电源两极之间都存在一个电势差，很巧，在外电路没有接通的情况下，这个电势差在数值上与电动势大小相等。

于是，在电动势和电势差这两概念上人们就混淆不清了，到底是因电动势而产生电势差还是因电势差而产生电动势？

为了解释电动势和电势差的产生，人们建立了一个电源模型——经典的电源模型。

1经典的电源模型

1．1  电动势的形成

经典的电源模型如图1所示，在电动势尚未形成之前，所有的电荷（图中用“自由电子”表示）都会到非静电力

的作用并在

的作用下在电源内部发生定向移动，笔者把这种

电源电动势形成过程的电荷移动而产生的电流称为电动势过程电流。

由于电荷的定向移动，使图1电源模型的右极板内表面带上了负电荷，左极板内表面则带上了与右极板同量异种的电荷即正电荷。

于是，电源两极板的电势随着

不断地搬运负电荷而增加，也同时在电源两极板间形成了一个大小逐渐增大的匀强电场。

一旦电源两极间有电场形成，电源内的电荷的受力情况也随之发生了变化，多了一个与

方向相反的静电场力

的作用，如图2所示。

随着电场强度的增大而增大，当

增大到与

相等时，电荷处于平衡状态，

搬运电荷结束，这时，电源两极电势差达到了一个最大值，该值就是电动势。

所以，电源的电动势是非静电力搬运电荷使两极产生电势差而不断增大到一个最大电势差的结果。

根据上述分析，从逻辑角度上讲，是由于非静电力产生了电荷搬运，电荷的搬运产生了电势差，电势差的增大而产生了电源的电动势，因而经典的电源模型的电动势是由于电势差而产生的。

1．2电流的形成

电源两极间没有接入闭合的外电路时，电源两极所带电量不变，所以电势差不变。

当接入闭合外电路时，外电路导体两端电势分别等于电源两极电势，形成电势差，产生电荷的定向移动，电子从电源负极通过导体流向正极。

电子一旦流动，使电源负极电量减小，同时电源正极有电子流入，中和了部分正电荷，正极所带电量也减小，引起了电源内部电场强度的减小，电荷所受的静电力随之减小，于是非静电力就大于静电力，电源内部电荷打破了受力平衡的状态，在非静电力的作用下发生定向加速运动，补充电源两极因外电路导体形成电流而失去的电量，保证电源两极的电势差基本上不变，电动势也保持了稳定，从而达到动态平衡。

电流便形成了。

我们发现，电源没有接入外闭合电路，只有电源内部有一个电场，电场方向从电源正极指向电源负极；一旦接入外闭合电路，外电路导体内部形成了一个电场，电场方向从电源正极指向电源负极，与电流方向相同，电源中还保持原有的电场，电场方向还是从电源正极指向电源负极，与电流方向相反。

1．3  经典电源模型的困难

依据上述的经典电源模型，我们容易知道：

1、电源两极板内表面总存在等量异种的净电荷。

正是这些净电荷的存在，使电源两极有电势差，也正是净电荷在极板上的累积使两极电势差增大而生成了电动势。

2、电源内部有一个匀强静电场。

该电场使电源内部的电荷受到一个与非静电力大小相等方向相反的静电场力的作用而平衡，使电源内部没有净电荷。

3、如果一个电源的电动势增大，那么其两极所带的净电荷一定在增加，反之净电荷将减小。

对于同一种材料做成的电源，如果电动势越大，两极所带的净电荷必定越多。

果真是这样吗？

我们不妨假设上述结论都成立。

由于电源两极存在等量异种的净电荷，当我们把电源两极从电源中间断开成两部分时，那么原来电源的正极所在部分一定带有正的净电荷，同样负极所在部分也一定带有与正极电量相同的负的净电荷。

这时我们就可以用它们来验证库仑定律了，但实际上这是绝对不可能的。

当我们把一节干电池在干燥、绝缘的环境中以相当快的速度从两极中间切断后，我们发现，切断后的两部分既不会相互排斥也不会相互吸引更不会吸引其他细小的物体（如纸屑）；当我们把一个化学原电池的金属两极同时迅速从电解池中抽出，也发现该两金属既不会相互排斥也不会相互吸引更不会吸引其他细小的物体；同样地，当我们把一在磁场切割磁感线的导体突然从中间折断，发现折断后的两导体同样不具有带净电荷的性质。

为了验证两极是否带有净电荷，我们还可以改为电动势很大的电源，如切割磁感线的导体，设导体长度为L=100米，以V=100米/秒的速度在切割B=2特的匀强磁场，那么根据法拉第电磁感应定律，它应该产生

20000伏的感应电动势，按经典电源模型，它的两极带净电荷电量是非常可观的，若在某一瞬间，此导体从中间一分为二，两部分仍旧带有原两极所带的净电荷，设此时某一段带电量为

。

我们把带正电荷一段又作为研究对象，它以相同的速度在磁场中切割磁感线，不同的是导体的长度是原来的一半，它产生的感应电动势也是原来的一半，所以电源两极所带的净电荷也是原来的一半即

。

对于这部分导体，其原来带电量为

，现在由于继续切割磁感应线，电量

不会平均分布于整根导体棒的外表面，而且继续分布于正极的内表面，也由于导体继续切割磁感线，使负极带上了负电荷

的同时，也使正极的电量增加了

。

即这时正极净电荷总量应该为

，而负极将电荷总量只有

。

导体切割磁感线产生的新的电源两极的净电荷量的数值不同。

这是矛盾之一。

如果把这根已经分成两段的导体电源又从中间接回，那么，两导体中间处正是两新电源的带电量较小的正负两极，接回后，这两极的大小相等符号相反的净电荷电量正好中和，导体内同样不带净电荷，但是这时，电源两极的净电荷量大小已经变成了

。

这导体长度与原来长度一样，凭什么导体折断接回后两极的净电量原来多呢？

这是矛盾之二。

如果把刚才已折断的导体电源的正极又从中间部位折断，折断后还是以相同的速度切割磁感应线，此时，又产生了两个新一轮的电源，还是取原正极一端研究，新电源的负极应该只带

的负电荷，而正极则带有

。

……随着这样对半折断次数越多，我们会发现这一长度越来越小的电源两极带电量将越来越不平衡，正极的净电荷将远远地超过负的净电荷。

这是矛盾之三。

同样地，把这些折断后的导体电源再一次从折断处接回，折断处的正负电荷中和，与原来长度相同的导体电源的两极的净电荷量将随着折断与接回次数的增加而增加，电动势相同的电源两极的净电荷量将不再是常数。

这是矛盾之四。

      如果电源内部有一个静电场，而没有净电荷，当我们把外电路一端接入电源的正极（或负极）上，

一端接在电源内部的任何一点，由于只有电源正极（或负极）才有净电荷，而电源内部没有异种的净电荷，所有电荷都有非静电力和静电力作用下处于平衡状态，所以外电路应该没有电流才对。

但实际恰恰相反。

如图3所示。

一直导线放在三条平滑的接触良好的导轨上作切割磁感线运动，无论把导线接在a、c导轨上还是接在b、c或a、b导轨之间，导线上都将有电流流过，只是大小可能不同。

如果电动势真是因电源两极所带的净电荷所产生这时我们把个电池放入一个匀强电场中，如图4所示，由于电源两极分别带有等量异种净电荷，两极应当受到大小相等方向相反的电场力的作用，这对电场力对电池形成了一对力偶，电池在力偶作用下一定会发生转动。

但是我们没有看见这种现象。

如果电动势真是因电源两极所带的净电荷所产生，电动势越大两极带净电荷越多，

电动势与两极所带净电荷量成正比。

设电动势为1V的电源，其两极带净电荷电量为Q，则100V电源两极带净电荷电量为100Q，10000V电源两极带电量为10000Q。

则我们可以推论，当一切割磁感线的导体的切割速度增大或减小时，其两极的净电荷量一定增加或减小，而在电源中形成电流。

更一般地，只要感应电动势大小或方向发生变化，就会在导体上出现感应电流——电动势过程电流。

如果真的具有电动势过程电流，那么，图5所示的实验装置中，当A线圈插入磁铁时，A线圈会使装置发生转动，这是我们常用来说明闭合线圈的磁通量发生时有感应电流，而且感应电流的磁场总

是阻碍原磁场的变化。

B线圈不闭合，由于磁铁插入过程中，磁通量的变化率并不是恒定的，所以一定会在B线圈中产生变化的电动势，则一定有电动势过程电流，此过程电流的磁场也会与原磁场发生作用，B线圈也会使装置转动。

实际上，我们并发现B线圈没有使装置发生转动。

为了减小手动磁铁对线圈A或B产生的影响，还可以改用变化率逐渐增大（或减小）的匀强磁

场分别作用于线圈A或B，我们同样发现，只有A会使装置发生转动，B总是不会使装置发生转动。

B不会使装置转动只能意味着B没有电流磁场与原磁场发生作用，所以，B中没有电流的流动。

2  新的电源模型

从上述分析中，我们不难看到，经典的电源模型带来了这么许多的困难，矛盾的焦点已经集中电源两极的是否有净电荷，如果没有净电荷，电源的电动势又如何产生的？

如果没有净电荷，则说明电源内部的电荷在非静电力作用下没有发生定向移动，为什么静电力可以使导体内电荷发生定向移动，而非静电力则不行？

所有一切都已说明，提出新的电源模型是势在必行了。

2．1  自由电荷

在经典的导电理论中，认为导体内部具有可以自由移动的电子，这些电子称之为自由电子；在液体导电时，人们则认为液体中水把电解质电离为阳离子和阴离子，这些离子分别带有正、负电荷，可以在液体中自由移动，不妨称之为自由离子；在气体导电时，气体在强电场中电离为可以自由移动的阳离子、阴离子、电子，即既有自由电子也有自由离子。

人们把可以自由移动的自由电子和自由离子统称为自由电荷。

如果导体中具有这些被称为自由电荷的可自由移动的电荷，那么在电源中在非静电力的作用下这些自由电荷一定会发生定向移动，形成经典电源两极聚集的电荷。

因此，只有导体中不存在这些自由电荷才不至发生电荷定向移动，电源两极才没有聚集的电荷。

2．2  原子模型

我们大家都有一个非常清晰而一致的原子模型，那就是它由一个带正电的原子核和绕核作高速运动的带负电的电子组成。

这是我们每个人共识。

然而在研究导体导电时，导电理论认为，由于金属导体原子的原子核对最外层电子的束缚力非常弱，所以最外层电子都会脱离原子核的束缚，游离在原子核之外，形成自由电子。

当导体中有电场时，自由电子将受电场力作用做定向移动形成电流。

新的电源模型认为，原子核虽然对最外层电子的束缚力非常小，但最外层电子除非受到电场力的作用，否则它不可能脱离原子核的束缚，它总是绕核作高速运动。

即导体中没有电场就没有自由电子。

2．3  原子极化

在没有外力作用下，原子的外层电子总是绕核运动，而且电子绕核运动表现的外特性是对称的，如果把它的运动轨迹（电子云）简化，可看成是一个正圆球形。

如图6所示。

因此，整个原子是显电中性的，并没有象经典的导电理论中所说的外层已成自由电子，原子核也已成阳离子。

电源中，在非静电力作用下，外层电子的运动轨道（电子云）发生改变，但仍未能脱离原子核的束缚，其圆球形电子云变形为椭球形，且原子核并不在该椭球形轨迹中心，这时，就整个原子而言，仍旧显电子中性，但正负电荷在整个椭球范围出现的几率有了变化。

如图7所示。

从图中我们明显可以看出，非静电力作用下的原子，其左端的正电荷分布多于右端，右端的负电荷的分布则多于左端，以致整个原子的左端显正电性，右端显负电性。

这种在非静电力作用下原子外层电子云发生椭球形变化现象，笔者称之为原子极化。

    2．4  原子极化电动势

在非静电力的作用下，电子具有一个脱离原子核的束缚的而向非静电方向运动的趋势，形成了原子的极化现象，使得原子左右电性不平衡，也因此在原子两端很小空间范围内产生了微小的电势差。

这个电势差是由于非静电力的作用产生的，我们把它定义为原子极化电动势。

    2．5  林氏电源模型

在电源内部，众多原子在非静电力的作用下发生极化，而且都是同向的极化，如图8所示。

由该原理图可见，电极两极没有经典电源模型所说等量异种电荷，从微观上说，由于原子虽然发生极化，但电子仍旧没有脱离原子核，整个原子显电中性，所以电源两极显电中性。

正因为两极没有净电荷，也就没有在电源内部形成静电场。

由于无论电源内部或者电源两极，都存在着极化原子，在电源的正极，

极化原子的正极性一端表露在电源的外表面，同样，在电源的负极，极化原子的负极性一端也表露在电源的外表面。

看上去，好像电源两极一样带有等量的异种净电荷，实际不然，它们只是极化原子的一部分。

正因为电源两极分别有正负电荷露出，在外界空间形成一个电场。

电子是在非静电力与原子核束缚力作用绕核作椭圆球运动。

也并不像经典电源模型所说在非静电力与静电力的作用下处于平衡状态。

这时，电源的电动势是由一个个同方向上的原子极化电动势累积叠加而成，如果一个原子极化电动势大小为

，

大小由原子的极化程度决定，非静电力越大，原子极化程度越大，原子极化电动势

也越大。

在电源两极方向上在N个这样的极化原子，则电源的电动势为

。

在该极化原子的并列方向上（即同一个横截面内）可能并列着M个同类极化原子，这些极化原子相当于并列着的电源，并不影响电源的电动势，它们只影响电源对外电路的输出电流强度（或功率）大小。

由此可见，电源的电动势大小决定于原子极化电动势

大小及电源两极方向的极化原子的数量N，而与两极的极化原子数量或者说与表露在两极外表的电量无关。

一个可变电源，当其电动势增大时，其两极外表的电量可能不变，但其每个原子的极化电动势

或者在两极方向上的极化原子数量就会增加。

2．6  电流的形成

当电源两接入外闭合电路时，电源两极外电场进入了导线空间，在导线内形成电场。

导线内的绕原子核运动的外层电子在电场力的作用下，脱离了原子核的束缚，开始沿电场方向作定向移动。

电源负极极化原子表露在外层的电子，在电场力作用下也脱离原子核的束缚，电源正极极化原子表露在外层的原子极则得到电子，从而电源两极带上等量异种电荷，这样，电源内部形成了一个与电源外部电场方向一致的电场（该电场在电源内部从负极指向正极，在电源外部从正极指向负极），从而使电源内部的电子也受到电场力的作用脱离原子核的束缚，产生了持续不断的电流。

在电流的形成过程中，一直都是电场力克服原子核的束缚力，非静电力好像没有起到什么作用，实际上不然，没有非静电力，就没有原子极化，也就没有电源电动势，正是有了电源的电动势，才在外电路形成电场，有了外电场，才有外电路接通后的电荷移动，才可能形成电源内部电场。

在电流的持续流动过程中，非静电力一直保持着它的作用，使每个原子处于极化状态，从而保证着电源两端的电动势大小的不变。

3   两种电源模型的比较

3．1  自由电荷与非静电力作用

经典电源模型与经典导电理论认为，导体内部存在大量可以自由移动的自由电荷，这些自由电荷在非静电力的作用下发生了与静电场力作用下一样定向的移动。

林氏电源模型则认为，导体内没有可以自由移动的电荷，所有原子的外层电子都在原子核的束缚力作用绕原子核作高速运动，在没有外力作用下，电子运动的轨迹（电子云）是正球形的，具有各向同性的性质。

所谓自由电荷是指原子外层电子在静电场力的作用下脱离了原子核的束缚力，可以沿电场力方向作定向移动。

同时，林氏电源模型还认为，非静电力不可能使外层电子脱离原子核的束缚，只能使电子的运动轨迹（电子云）在非静电力方向发生一定程度的偏移，即实现原子极化，产生原子极化电动势。

3．2  电源两极是否带有净电荷

经典电源模型认为，电源内部自由电荷在非静电力作用下向电源两极发生定向移动，使电源两极内表面带了等量异种的净电荷。

林氏电源模型认为，电源内部原子在非静电力作用下发生了极化，并没有电荷的定向移动，所以电源两极并无净电荷。

但是，由于极化原子具有相同的极化方向，所以在电源正极的极化原子的正极在电源正极的外表面，电源负极的极化原子的负极也在电源负极的外表面。

看上去好像两极均有净电荷，实际不然。

虽然林氏电源模型认为电源两极无净电荷的存在，但它认为在电源正负两极外表面分别有正负电荷，这是两极上极化原子的一部分。

3．3   接通外电路前电源内（外）部空间是否有静电场

经典电源模型认为，由于电源两极内表面分别带有等量异种电荷，从而在电源内部形成一个从电源正极指向负极的静电场，电源内部的自由电荷正是受到了静电场力的作用，才和非静电力平衡而处于平衡状态。

林氏电源模型则认为，由于电源两极并无净电荷，所以不会在电源内部形成静电场。

林氏电源模型还认为，由于电源两极外表面分别有正负电荷，所以在外界空间形成了一个电场。

3．4  接通外电路后电源内部电场及外电路导体中的电场

经典电源模型认为，当电源接通外闭合电路后，电源正极的正电荷开始通过导体向负极运动。

实际上承认了电源在外电路导体内部形成了一个从电源正极指负极的电场。

而因为电流的流通，使电源两极所带的净电荷减小，引起电源内部电场的减小，造成自由电荷所受的非静电力大于电场力，使自由电荷往电源两极搬运，填补两极的净电荷因电流原因引起的减小，从而保证两极电势差（电动势）不变。

即不管是电源内部还电源外部的电场，其方向都是从电源正极指向电源负极。

如果与电流方向比较，则电源内部的电场方向逆着电流方向的，而电源外部导体内的电场方向则是顺着电流方向的。

林氏电源模型认为，当电源接通外闭合电路后，电源电动势加在导体上，使导体内部形成一个从电源正极指向负极的电场，导体及电源两极表面的外层电子在电场力的作用下脱离原子的束缚，形成电流。

一旦外部电流形成，电源正极表面则得到电子，电源负极表面则失去电子，此时就在电源内部形成了一个从负极指向正极的电场，电源内部的外层电子也受到电场力的作用，得以脱离原子核的束缚，在电场力方向上运动而形成电源内部电流。

可以看出，林氏电源模型的内外电场均是顺着电流流动的方向。

4对一些现象的解释

以上用经典电源模型无法解释问题，都因为经典电源模型的两极带有等量异种净电荷引起。

在林氏电源模型面前，前面所讲的问题都已经不是问题了，都是顺理成章的事情。

既不用讨论当单一电源的电动势增大（减小）时，电源内部是否有电流流过，因为根本上就没有前面所述的“电动势过程”，也没有“电动势过程电流”。

电动势的产生不需过程，只要电源内部有非静电力，原子极化随之产生，电源电动势也就产生了。

电源两极间的电动势大小并不像经典电源所说，由于外电路接通电流的产生而有所减小，它是一个固定数值，无论外电路接通与否，除非电源中非静电力发生了变化。

4．1  对切割磁线导体的解释

在图3所示的电路中接入外电路，如图9所示，假设导轨ac之间距离为L，作切割磁感线的导体在长为L的范围内有N个原子，ab长为L1，L1范围内有N1个原子，bc长为L2，L2范围内有N2个原子。

当导体以速度V切割磁感线时，导体每个原子都已极化，极化电动势为

，则整条导体上产生的总电动势为

=BLV，R1接在ac之间，故R1相当于接在电动势为

=BLV的电源两极上。

同理R2则接在电动势为

=BL1V，R3接在电动势为

=BL2V的电源上。

而不像经典电源模型所说的，由于电源内部有静电场存在，使电源内无净电荷，无法在ab或bc之间的电路中形成电流。

4．2  对全电路欧姆定律的解释。

4．2．1  用经典电源模型。

无论电源的外电路是否，电源内部始终有一个从正极指向负极的电场

。

根据电压降（电势差）与电场强度的关系

，我们知道，在电源接通之前，电源内部有一个电压降（电势差），

，即电源电动势全部加在电源内电路上。

但依据导电理论，由于电路尚未接通，所以，电源中不会有电流流过，电源内部不会形成电压降。

这是相矛盾的。

在接通外电路后，除了电源内部的电场

外，在外电路导体中形成一个从电源正极指向负极的电场

，于是，内电路电压降为

，方向从电源内部正极指向负极，与电流方向相反，外电路电压降为

，方向从电源外部正极指负极，与电流方向相同，即与

方向相反，通常，电压降是选择与电流同向为正，所以，整个电路中的总电压降应该为

。

而整个电路所消耗的总电压降一定等于电源的电动势，即有

。

这很明显是与全电路欧姆定律不符的。

4．2．2  用林氏电源模型

没有接通外电路时，电源内部没有电场，所以电荷不至于在电场力下运动，而发生电压降落。

即

，电压降

。

所以，当我们用电压表直接接在电源两端时测出的外电压

，此时，内外电路的总电压降为

，正好是全电路欧姆定律。

当给电源接上一短路导线时，这时，电路中有电流流过，电源中产生的电场

，该电场方向从电源负极指电源正极，与电流方向相同，电流在电源内流动时产生的电压降为

；而在短路导线上传输电荷无需克服做功，所以外场强

，

，即没有外电压降。

此时，同样地有

。

当给电源接入负载电阻时，电路中同样电流流过，电源中产生的电场

，该电场方向从电源负极指电源正极，与电流方向相同，电流在电源内流动时产生的电压降为

；不同的是，在负载电阻上，电流要克服阻力做功，所以，

，且方向也同样与电流方向相同，

；由此可见，

的方向均与

方向相同，不难证明

。

5非静电力与电场力对导体中电荷的作用

通过以上分析，我们有理由相信，在不对导体进行破坏的前提下，只有电场力才能使绕核运动的电子脱离原子核的束缚，其他一切所有的力只可能对原子产生极化（其原理有待查明）。