電源和電動勢

發(fā)布時間:2025-01-10
一、非靜電力
觀察一個實驗,大容量的電容器事先已充電。k接通瞬間,可看到電流計的指針偏轉(zhuǎn),但很快回到零點,為什么?
va>vb,正電荷從a→b與b上負(fù)電荷中和,結(jié)果,兩板上的電荷逐漸減少,因而兩極上的電位差逐漸減小,電流也逐漸減弱,最后va=vb,要電流穩(wěn)恒就得設(shè)法維持a、b兩極的電位差不變,只有依靠某種與靜電力本質(zhì)上不同的非靜電力,才能把正電荷逆著靜電場的方向由低電位的b板移到高電位的a板,這與用水泵把水從低處抽到高處類似,水泵中必然有一種非重力起源的力。
電源:電源是能夠提供非靜電力的裝置。電源都有兩個極,電位高的叫正極,電位低的叫負(fù)極。換一個角度,從能量轉(zhuǎn)化的觀點來看,非靜電力把正電荷由低電位處移到高電位處,要克服靜電力作功,所消耗的能量是電源提供的,這說明電源是一種能量轉(zhuǎn)化裝置。例如:化學(xué)電源(干電池、蓄電池)是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能;發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)化為電能;太陽能電池是把光能轉(zhuǎn)化為電能;溫差電池是把熱能轉(zhuǎn)化電能。所以講:能夠把其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱為電源。
電源的工作過程:將前述電容器換成一個電源,電流計換成一個電阻元件,如圖,在電源內(nèi)部存在非靜電力,用fk表示電荷q所受的非靜電力,仿照定義靜電場強的方法,定義:非靜電場強為單位正電荷所受的非靜電力。用ek表示,則,在電源內(nèi)部,ek的方向由電源的負(fù)極指向正極,對一確定的電源,ek的大小保持不變。
  未接通:電源處于開路狀態(tài),fk將正電荷從b經(jīng)過電源內(nèi)部送到正極a,結(jié)果正、負(fù)極分別積累正、負(fù)電荷,形成靜電場e,一直到e+ek=0時,移送過程暫時停止,達(dá)到平衡狀態(tài),這時,正、負(fù)極有一定的電位差。
接通后:正電荷從正極經(jīng)過外電路流向負(fù)極b,形成電流,減小,于是,移送過程重新開始,使兩極間的電位差保持不變。以上過程持續(xù)進行,在電路中就形成了穩(wěn)定的閉合電流。
普遍的歐姆定律的微分形式為:
包括電源內(nèi)部和電源外部
二、電動勢
把正電荷從負(fù)極經(jīng)過電源內(nèi)部移送到正極的過程中,電源的非靜電力要做功,對于不同的電源,搬運相同電荷,非靜電力所作的功可能不同,我們引入電動勢這個物理量來描述電源內(nèi)部非靜電力作功的本領(lǐng)。
電動勢:把單位正電荷經(jīng)電源內(nèi)部從負(fù)極移到正極,非靜電力所作的功稱為電源的電動勢。
一個電源的電動勢具有一定的數(shù)值,它與電源本身的非靜電場有關(guān),而與靜電場無關(guān),因此電源一定,其電動勢就一定,與外電路的性質(zhì)以及是否接通都沒有關(guān)系,是表征電源本身的特征量。電動勢是標(biāo)量,在電路中應(yīng)視為代數(shù)量,我們規(guī)定ek的方向為電動勢的“方向”,電動勢的單位與電位相同,也是伏特(v),有時我們無法區(qū)分“電源內(nèi)部”和“電源外部”(例如感生電動勢),我們就說整個閉合回路的電動勢為:,它更普遍。
三、一段含源電路的歐姆定律
注意:一段電路和一條支路概念不同,一段電路可以包含有分岔點,由復(fù)雜電路中任意兩點之間的各支路串接而成,因而各支路中電流強度不一定相等,一段含源電路的歐姆定律是含源支路歐姆定律的推廣。
把電源接到電路里,在一般情況下就會有電流i通過(平衡的補償電路例外)。通過電源的電流方向有兩種可能性:從負(fù)極到正極(放電),或從正極到負(fù)極(充電)。在復(fù)雜電路中某個電源究竟在充電還是放電,往往難以一望而知,兩種情形都可能出現(xiàn)。
現(xiàn)在我們來計算一個電源兩端的電壓(路端電壓)。路端電壓是靜電力把單位正電荷從正極移到負(fù)極所作的功,即
我們選擇積分路徑通過電源內(nèi)部

結(jié)起來,電源的路端電壓公式為:
如圖,從電路一端到電路另一端對穩(wěn)恒電場的線積分:
uab= i1r2+ε1-ε2-i2r2-i2r3+ε3
四、電動勢的測量——電位差計
(1) 原理:平衡(或補償)原理;
(2) 方法:比較法,將被測電壓與標(biāo)準(zhǔn)電動勢相比較;
(3) 利用電位差計測量電動勢或電壓的步驟:①校準(zhǔn)工作電流;②測量。
(4) 利用電位差計測量電流:①測量附加電路中已知標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓;②計算出電流。
(5) 利用電位差計測量電阻:①分別測量出附加電路中已知標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測電阻的電壓(電流不變);②計算出電阻。
五、歐姆定律的三種形式
1、不含源電路的歐姆定律:從電阻一端到電阻另一端對穩(wěn)恒電場的線積分;
2、含源電路的歐姆定律:從電路一端到電路另一端對穩(wěn)恒電場的線積分;
3、全電路歐姆定律:沿電路一周對穩(wěn)恒電場的線積分。
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