淺談電壓、電勢、電勢差和電動勢

魏競彤

在中學(xué)階段接觸到以伏特的單位的物理量分別是電壓、電勢、電勢差、電動勢，它們之間的關(guān)系引起了我的興趣，經(jīng)過多方搜集資料、查閱文獻(xiàn)，對它們的分析如下文。

一、電壓

電壓是最先學(xué)習(xí)到的物理量，從初中物理中認(rèn)識到，要讓一段電路中有電流，它的兩端就要有電壓。這句話的意思就是電壓是產(chǎn)生電流的原因。電源的作用就是給用電器兩端提供電壓。通過高中物理學(xué)習(xí)到，把導(dǎo)體的兩端分別接到電源的兩極上，導(dǎo)體兩端有了電壓，這時導(dǎo)體中也有了電場。導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下發(fā)生定向移動，形成電流。干電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等電源，它們在電路中的作用是保持導(dǎo)體上的電壓，使導(dǎo)體中有持續(xù)的電流。

通過中學(xué)對電壓的學(xué)習(xí)，可以發(fā)現(xiàn)電壓是使電路中自由電荷定向移動形成電流的原因，在電路中提供電壓的裝置是電源。這里所指的電路中形成的電流是恒定電流，恒定電流指電流場不隨時間變化，這就要求電荷的分布不隨時間變化，因而電荷產(chǎn)生的電場是恒定電場，它們產(chǎn)生的恒定電場與靜電場服從同樣的基本規(guī)律，所以恒定電場相當(dāng)于靜電場。討論的范圍是恒定電場中，在恒定電場中正電荷在電場力的作用下沿著電場方向，從高電勢處移動到低電勢處，這時候電壓其實指的就是電勢差。電壓其實是反映電場力做功本領(lǐng)的物理量。

二、電勢

以下談及的電場均指靜電場，靜電場力所作的功與路徑無關(guān)，所以靜電場是保守力場或勢場。所以才引入了電勢和電勢能的概念。

從高中物理中學(xué)習(xí)到電勢是表征電場性質(zhì)的重要物理量，電荷在電場中某一點的電勢能與它的電荷量的比值，叫做這一點的電勢。沿著電場線方向電勢逐漸降低，要確定電場內(nèi)各點的電勢時，應(yīng)該先規(guī)定該電場中某處的電勢為0。在物理學(xué)的理論研究中常取離場源電荷無限遠(yuǎn)處的電勢為0，在實際應(yīng)用中常取大地的電勢為0。在規(guī)定電勢零點之后，電場中各點的電勢可以是正值，也可以是負(fù)值。電勢只有大小，沒有方向，是個標(biāo)量。

三、電勢差

選取不同的位置作為電勢零點，電場中某點電勢的數(shù)值也會改變，但電場中某兩點之間的電勢的差值卻保持不變。正是因為這個緣故，在物理學(xué)中，電勢的差值往往比電勢更重要。電場中兩點間電勢的差值叫做電勢差，或稱電勢降落。電勢差可以是正值，也可以是負(fù)值。

通過以上討論，我們發(fā)現(xiàn)在靜電場和恒定電場中電勢差和電壓是指同一個物理量。電壓表示某段電路中電勢差的大小，而不表示哪點電勢高、哪點電勢低，因此電壓只有正值而無負(fù)值。也就是在沒有必要表明兩點電勢高低的情況下，一般用電壓這種說法。

四、電動勢

在外電路中，正電荷在電場力的作用下從高電勢的位置移動到低電勢的位置，電勢能減小，即正電荷由電源的正極流向負(fù)極。要形成閉合恒定電流，正電荷需要克服電場力從負(fù)極移動到正極，這時候就必須有非靜電力做功，將其它形式的能量補(bǔ)充給電路，使電荷能夠逆著電場力的方向運動，返回到電勢能較高的原來位置，以維持電流的閉合性。提供非靜電力的裝置稱為電源。

物理學(xué)中用電動勢來表明電源中非靜電力做功的本領(lǐng)，是表征電源本身的特征量。電動勢由電源中非靜電力的特性決定。雖然電動勢和電壓具有相同的單位，但它們本質(zhì)是不同的物理量。對于電源，電動勢是固定不變的，與外電路的組成情況和是否接通都沒有關(guān)系。而電路中的電壓卻會隨之發(fā)生變化。

綜上所述，電壓、電勢、電勢差、電動勢都是以伏特為單位的物理量，但是對它們的理解卻不能一概而論，需要區(qū)分清楚，才能正確靈活地使用。

責(zé)任編輯 龍建剛endprint