電路中的電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位的分析

摘 要： 本文簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位三個(gè)物理量的相同點(diǎn)，對(duì)三個(gè)物理量的不同點(diǎn)從定義、方向和大小測(cè)量三個(gè)方面進(jìn)行了分析，并對(duì)三者之間的聯(lián)系作了簡(jiǎn)單的概括。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)勢(shì) 電壓 電位 異同 聯(lián)系

在電工教學(xué)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位這三個(gè)基本物理量。由于這三個(gè)物理量有許多相似之處，所以許多學(xué)生對(duì)這三個(gè)物理量容易混淆，理解不透。現(xiàn)將三者的異點(diǎn)及三者之間的聯(lián)系總結(jié)如下：

一、電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位的相同點(diǎn)

（一）三者的定義均是單位正電荷在某力作用下所做的功。

（二）三者的單位均為伏特（伏）。

（三）三者的大小均可用電壓表進(jìn)行測(cè)量。

二、電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位的不同點(diǎn)

（一）定義

在電學(xué)類教材上，對(duì)這三者的定義是這樣的：

電動(dòng)勢(shì)是衡量電源將非電能轉(zhuǎn)換成電能本領(lǐng)的物理量。它的定義是單位正電荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極時(shí)非靜電力所做的功。符號(hào)為E。

電壓是衡量電場(chǎng)力做功本領(lǐng)大小的物理量。它的定義是單位正電荷從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所做的功。符號(hào)為U 。

電位同樣是衡量電場(chǎng)力做功本領(lǐng)大小的物理量。但它的定義是單位正電荷從P點(diǎn)移到參考點(diǎn)P 時(shí)電場(chǎng)力所做的功。符號(hào)為U 。

三者的定義非常相似，但它們是完全不同的三個(gè)概念。電位的定義要考慮到參考點(diǎn)，我們通常把參考點(diǎn)的電位規(guī)定為零，即零電位。一般情況選大地為參考點(diǎn)，在電子儀器和設(shè)備中常把金屬外殼或電路中的公共接點(diǎn)作為參考點(diǎn)。電位是針對(duì)一點(diǎn)而言的，而電壓是針對(duì)兩點(diǎn)而言。某點(diǎn)的電位值會(huì)隨著參考點(diǎn)位置的改變而變化，但兩點(diǎn)的電壓與參考點(diǎn)的位置選取無(wú)關(guān)，所以電位是相對(duì)的，而電壓是絕對(duì)的。

電動(dòng)勢(shì)是針對(duì)電源定義的，所以只有電源有電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載不存在電動(dòng)勢(shì)。電壓和電位沒(méi)有針對(duì)電源，所以不僅電源中有電壓和電位，負(fù)載中也有電壓和電位。路端電壓（電源加在外電路兩端的電壓）是針對(duì)電源的。但是電源電動(dòng)勢(shì)是表示非靜電力把單位正電荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極所做的功；而路端電壓則是指在靜電力（電場(chǎng)力）作用下，單位正電荷從正極移動(dòng)到負(fù)極所做的功。

（二）方向

電動(dòng)勢(shì)的方向是在電源內(nèi)部由低電位（“-”極性）端指向高電位（“+”極性）端，即電位升高的方向。

電壓的方向是高電位（“+”極性）端指向低電位（“-”極性）端，即電位降低的方向。對(duì)于一個(gè)電源而言，電動(dòng)勢(shì)的方向與電壓的方向正好相反。

而電位沒(méi)有方向，只有高低之分。

在分析電路時(shí)，我們時(shí)常遇到電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位有正負(fù)之分。電動(dòng)勢(shì)和電壓數(shù)值前的正負(fù)號(hào)是用來(lái)表示方向的。在計(jì)算較復(fù)雜電路時(shí)，我們都會(huì)先設(shè)定一個(gè)參考方向，電壓和電動(dòng)勢(shì)為正值，說(shuō)明電壓和電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向與設(shè)定的參考方向相同；電壓和電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值，說(shuō)明電壓和電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向與設(shè)定的參考方向相反。而電位的正負(fù)不表示方向，只表示高低。電位為正值時(shí)，說(shuō)明該點(diǎn)的電位比參考點(diǎn)的電位高；電位為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明該點(diǎn)的電位比參考點(diǎn)的電位低。

（三）大小測(cè)量

電源的電動(dòng)勢(shì)用電壓表測(cè)量。測(cè)量的時(shí)候，電源不要接到電路中去，用電壓表測(cè)量電源兩端的電壓，所得的電壓值就可以看作等于電源的電動(dòng)勢(shì)。

電壓的大小用電壓表測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，必須接通電路，將電壓表并聯(lián)在被測(cè)電路兩端，就可以測(cè)出這兩點(diǎn)之間的電壓。

電位的大小也可用電壓表來(lái)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法與電壓的測(cè)量方法相似，只是被測(cè)電路兩端必須有一端為參考點(diǎn)。

三、電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位之間的聯(lián)系

（一）電動(dòng)勢(shì)和電壓之間的聯(lián)系

對(duì)于一個(gè)電源，它既有電動(dòng)勢(shì)又有電壓。電源的電動(dòng)勢(shì)對(duì)一個(gè)固定電源來(lái)說(shuō)是不變的，而電源的路端電壓卻是隨外電路的負(fù)載而變化的。它的變化規(guī)律服從閉合電路的歐姆定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

U=E-Ir。

式中U為路端電壓，I為電路中的電流，r為電源的內(nèi)電阻，故Ir為電源的內(nèi)電壓，也叫內(nèi)壓降。對(duì)于確定的電源來(lái)說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r都是一定的，所以從上式可以看出，路端電壓U跟電路中的電流I有關(guān)系。電流I增大時(shí)，內(nèi)壓降Ir增大，路端電壓U就減小；反之，電流I減小時(shí)，路端電壓U就增大。

在電源放電的情況下（即我們通常情況下的通路狀態(tài)），此時(shí)外電路中沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，路端電壓U=IR（R是外電路的總電阻）。根據(jù)閉合電路的歐姆定律可得I=E／（R+r），即電流I的大小隨外電阻R而變化。因此，路端電壓U也隨外電阻R而變化。R增大時(shí)，I減小，U增大；R減小時(shí)，I增大，U減小。當(dāng)外電路斷開時(shí)，R變?yōu)闊o(wú)限大，I變?yōu)榱悖瑑?nèi)壓降Ir也變?yōu)榱悖@時(shí)路端電壓等于電源的電動(dòng)勢(shì)。

但是我們不能認(rèn)為路端電壓一定小于電動(dòng)勢(shì)。在電源被充電時(shí)，電源內(nèi)部的電流是從電源正極流向負(fù)極，內(nèi)壓降的方向與電動(dòng)勢(shì)的方向相反，電源的電動(dòng)勢(shì)是反電動(dòng)勢(shì)（與電源電動(dòng)勢(shì)方向相反的電動(dòng)勢(shì)，屬于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)），這時(shí)路端電壓等于電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)壓降之和，即U=E+Ir，路端電壓大于電動(dòng)勢(shì)。

（二）電壓與電位之間的聯(lián)系

（三）電位與電動(dòng)勢(shì)之間的聯(lián)系

對(duì)于電源，我們很少研究它的電位，所以電位與電動(dòng)勢(shì)之間沒(méi)有必然的聯(lián)系。

電動(dòng)勢(shì)、電壓和電位是我們分析電路時(shí)經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到的三個(gè)基本物理量，所以掌握三者的相同點(diǎn)、不同點(diǎn)及聯(lián)系是非常必要的。

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