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电源和电动势

2016-4-8 08:56| 编辑:电工学习网| 查看: 10993| 评论: 0

一、非静电力

观察一个实验,大容量的电容器事先已充电。K接通瞬间,可看到电流计的指针偏转,但很快回到零点,为什么?

VA>VB,正电荷从ABB上负电荷中和,结果,两板上的电荷逐渐减少,因而两极上的电位差逐渐减小,电流也逐渐减弱,最后VA=VB,要电流稳恒就得设法维持AB两极的电位差不变,只有依靠某种与静电力本质上不同的非静电力,才能把正电荷逆着静电场的方向由低电位的B板移到高电位的A板,这与用水泵把水从低处抽到高处类似,水泵中必然有一种非重力起源的力。

电源:电源是能够提供非静电力的装置。电源都有两个极,电位高的叫正极,电位低的叫负极。换一个角度,从能量转化的观点来看,非静电力把正电荷由低电位处移到高电位处,要克服静电力作功,所消耗的能量是电源提供的,这说明电源是一种能量转化装置。例如:化学电源(干电池、蓄电池)是把化学能转化为电能;发电机是把机械能转化为电能;太阳能电池是把光能转化为电能;温差电池是把热能转化电能。所以讲:能够把其它形式的能量转化为电能的装置称为电源。

电源的工作过程:将前述电容器换成一个电源,电流计换成一个电阻元件,如图,在电源内部存在非静电力,用FK表示电荷q所受的非静电力,仿照定义静电场强的方法,定义:非静电场强为单位正电荷所受的非静电力。用EK表示,,在电源内部,EK的方向由电源的负极指向正极,对一确定的电源,EK的大小保持不变。

 

未接通:电源处于开路状态,FK将正电荷从B经过电源内部送到正极A,结果正、负极分别积累正、负电荷,形成静电场E,一直到E+EK=0时,移送过程暂时停止,达到平衡状态,这时,正、负极有一定的电位差。

接通后:正电荷从正极经过外电路流向负极B,形成电流,减小,于是,移送过程重新开始,使两极间的电位差保持不变。以上过程持续进行,在电路中就形成了稳定的闭合电流。

普遍的欧姆定律的微分形式为:

包括电源内部和电源外部

二、电动势

把正电荷从负极经过电源内部移送到正极的过程中,电源的非静电力要做功,对于不同的电源,搬运相同电荷,非静电力所作的功可能不同,我们引入电动势这个物理量来描述电源内部非静电力作功的本领。

电动势:把单位正电荷经电源内部从负极移到正极,非静电力所作的功称为电源的电动势。

一个电源的电动势具有一定的数值,它与电源本身的非静电场有关,而与静电场无关,因此电源一定,其电动势就一定,与外电路的性质以及是否接通都没有关系,是表征电源本身的特征量。电动势是标量,在电路中应视为代数量,我们规定EK的方向为电动势的方向,电动势的单位与电位相同,也是伏特(V),有时我们无法区分电源内部电源外部”(例如感生电动势),我们就说整个闭合回路的电动势为:,它更普遍。

三、一段含源电路的欧姆定律

注意:一段电路和一条支路概念不同,一段电路可以包含有分岔点,由复杂电路中任意两点之间的各支路串接而成,因而各支路中电流强度不一定相等,一段含源电路的欧姆定律是含源支路欧姆定律的推广。

把电源接到电路里,在一般情况下就会有电流I通过(平衡的补偿电路例外)。通过电源的电流方向有两种可能性:从负极到正极(放电),或从正极到负极(充电)。在复杂电路中某个电源究竟在充电还是放电,往往难以一望而知,两种情形都可能出现。

现在我们来计算一个电源两端的电压(路端电压)。路端电压是静电力把单位正电荷从正极移到负极所作的功,即

我们选择积分路径通过电源内部

 

结起来,电源的路端电压公式为:

 

如图,从电路一端到电路另一端对稳恒电场的线积分:

UAB= I1R2+ε1-ε2-I2R2-I2R3+ε3   

四、电动势的测量——电位差计

1) 原理:平衡(或补偿)原理;

2) 方法:比较法,将被测电压与标准电动势相比较;

3) 利用电位差计测量电动势或电压的步骤:①校准工作电流;②测量。

4) 利用电位差计测量电流:①测量附加电路中已知标准电阻的电压;②计算出电流。

5) 利用电位差计测量电阻:①分别测量出附加电路中已知标准电阻和被测电阻的电压(电流不变);②计算出电阻。

五、欧姆定律的三种形式

1、不含源电路的欧姆定律:从电阻一端到电阻另一端对稳恒电场的线积分;

2、含源电路的欧姆定律:从电路一端到电路另一端对稳恒电场的线积分;

3、全电路欧姆定律:沿电路一周对稳恒电场的线积分。

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