電動勢
鎖定
即電子運(yùn)動的趨勢,能夠克服導(dǎo)體
電阻對電流的阻力,使電荷在閉合的導(dǎo)體
回路中流動的一種作用。這種作用來源于相應(yīng)的
物理效應(yīng)或
化學(xué)效應(yīng),通常還伴隨著能量的轉(zhuǎn)換,因為電流在導(dǎo)體中(
超導(dǎo)體除外)流動時要消耗能量,這個能量必須由產(chǎn)生電動勢的
能源補(bǔ)償。如果電動勢只發(fā)生在導(dǎo)體回路的一部分區(qū)域中,就稱這部分區(qū)域為電源區(qū)。
電源區(qū)中也存在著電阻,稱為電源的內(nèi)阻。電源區(qū)之外部分導(dǎo)體回路中所消耗的能量,直接來源于導(dǎo)體中的電磁場,但是這時
電磁場的能量仍然來自電源。
E(ε)
簡介
電動勢是反映電源把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的本領(lǐng)的物理量。電動勢使電源兩端產(chǎn)生電壓。在電路中,電動勢常用E表示。單位是伏(V)。
在電源內(nèi)部,非靜電力把正電荷從
負(fù)極板移到正極板時要對
電荷做功,這個做功的物理過程是產(chǎn)生電源電動勢的本質(zhì)。非靜電力所做的功,反映了其他形式的
能量有多少變成了
電能。因此在電源內(nèi)部,非靜電力做功的過程是
能量相互轉(zhuǎn)化的過程。
電動勢的大小等于
非靜電力把單位
正電荷從電源的負(fù)極,經(jīng)過
電源內(nèi)部移到電源正極所作的功。如設(shè)
W為電源中非靜電力(電源力)把正電荷量
q從
負(fù)極經(jīng)過電源內(nèi)部移送到電源正極所作的功跟被移送的電荷量的比值,則電動勢大小為:
。如:電動勢為6伏說明電源把1庫正電荷從負(fù)極經(jīng)內(nèi)電路移動到正極時非靜電力
做功6焦。有6焦的其他其形式能轉(zhuǎn)換為電能。
電動勢的方向規(guī)定為從電源的負(fù)極經(jīng)過電源內(nèi)部指向電源的正極,即與電源兩端電壓的方向相反。[1]
生成機(jī)制
電源的電動勢是和非靜電力的功密切聯(lián)系的。非靜電力是指除靜電力外能對電荷流動起作用的力,并非泛指靜電力外的一切作用力。不同電源非靜電力的來源不同,
能量轉(zhuǎn)換形式也不同。
化學(xué)電動勢(干電池、
鈕扣電池、
蓄電池等)的非靜電力是一種
切割磁場而產(chǎn)生電動勢。
與
離子的溶解和沉積過程相聯(lián)系的
化學(xué)作用,電動勢的大小取決于化學(xué)作用的種類,與電源大小無關(guān),如干電池?zé)o論1號、2號、5號電動勢都是1.5伏。產(chǎn)生化學(xué)電動勢的電池稱為化學(xué)電池或電化電池,例如:
銅鋅原電池,
電解質(zhì)溶液為
硫酸銅溶液。
感生電動勢和
動生電動勢(發(fā)電機(jī))。發(fā)電機(jī)的非靜電力起源于磁場對運(yùn)動電荷的作用,即
洛倫茲力。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律:只要穿過回路的磁通量發(fā)生了變化,在回路中就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。而實(shí)際上,引起
磁通量變化的原因不外乎兩條:其一是回路相對于磁場有運(yùn)動;其二是回路在磁場中雖無相對運(yùn)動,但是磁場在空間的分布是隨時間變化的,將前一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為動生電動勢,而后一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為感生電動勢。[2]
感應(yīng)電動勢的大小
(
為磁通量的變化量,
為時間,
為線圈匝數(shù))[3]
光生電動勢(光電池)的非靜電力來源于內(nèi)光電效應(yīng)。
在光照下,若入射光子的能量大于
禁帶寬度,半導(dǎo)體PN結(jié)附近被束縛的價電子吸收光子能量,受激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶形成自由電子,而價帶則相應(yīng)地形成自由空穴。這些電子一空穴對,在內(nèi)電場的作用下,空穴移向P區(qū),電子移向N區(qū),使P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電,于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓,稱為光生電動勢,這就是光伏特效應(yīng)。利用光伏特效應(yīng)制成的敏感元件有光電池、光敏二極管和光敏三極管等。[4]
壓電電動勢(晶體壓電點(diǎn)火、晶體話筒等)來源于機(jī)械功造成的極化現(xiàn)象。
當(dāng)
電介質(zhì)(晶體)受到一定方向外力的作用而產(chǎn)生變形時,就會引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化現(xiàn)象,從而導(dǎo)致在相應(yīng)的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷,于是在兩個表面產(chǎn)生電壓,稱為壓電電動勢;當(dāng)外力作用除去時,表面的電荷也隨之消失,又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài);當(dāng)外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變。[5]
溫差電動勢(溫差電源)的非靜電力是一種與溫度差和電子濃度差相聯(lián)系的
擴(kuò)散作用。
1821年德國物理學(xué)家塞貝克(T J Seeback)發(fā)現(xiàn):當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)線組成閉合回路時,若在兩接頭維持一溫差,回路就有電流和電動勢產(chǎn)生,后來稱此為
塞貝克效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢述回路稱為
熱電偶。[6]
與路端電壓關(guān)系
電源的
路端電壓是指電源加在外電路兩端的電壓,是靜電力把單位正電荷從正極經(jīng)外電路移到負(fù)極所做的功。對于確定的
電源來說,
電動勢E和
內(nèi)電阻r都是一定的。
理想電動勢源不具有任何
內(nèi)阻,放電與充電不會浪費(fèi)任何電能。理想電動勢源給出的電動勢與其路端電壓相等。
在
實(shí)際應(yīng)用中,電動勢源不可避免地有一定的
內(nèi)阻。實(shí)際電動勢源的電阻可以視為一個理想電動勢源串聯(lián)一個電阻為內(nèi)阻的電阻器。電源的電動勢對一個固定電源來說是不變的,而電源的路端電壓卻是隨外電路的負(fù)載而變化的。內(nèi)阻的大小取決于電動勢源的大小、化學(xué)性質(zhì)、使用時間、溫度和
負(fù)載電流。
電源充電
在
電源被充電時,電源內(nèi)部的電流是從電源正極流向
負(fù)極,內(nèi)壓降的方向與電動勢的方向相反,電源的電動勢是反電動勢,這時路端
電壓等于電動勢與內(nèi)壓降之和,即
,電路端電壓大于電動勢。
電源放電
在電源放電的情況下,當(dāng)外電路中沒有反電動勢時,路端電壓的
電源放電
變化規(guī)律服從含源電路的歐姆定律,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
,
為電源的內(nèi)電壓,也叫內(nèi)壓降?傻
,即
電流I的大小隨
外電阻R而變化。電流I增大時,內(nèi)壓降Ir增大,路端電壓U就減。环粗,電流I減小時,路端電壓U就增大。[7]
電源斷開
當(dāng)電源的外電路斷開時,R可看作無限大,I變?yōu)榱,?nèi)壓降Ir也變?yōu)榱悖@時電源內(nèi)部的非靜電力與靜電場力平衡。路端電壓等于電源的電動勢。
測量方法
使用電壓表
電源的電動勢可以用
電壓表測量。測量的時候,電源不要接到電路中去,用電壓表測量電源兩端的電壓,所得的電壓值就可以看作等于電源的電動勢。如果電源接在電路中,用電壓表測得的電源兩端的電壓就會小于電源的電動勢。這是因為電源有
內(nèi)電阻。在閉合的電路中,電流通過
內(nèi)電阻r有內(nèi)電壓降,通過
外電阻R有外電壓降。電源的電動勢E等于內(nèi)電壓Ir和外電壓IR之和,即
。嚴(yán)格來說,即使電源不接入電路,用電壓表測量電源兩端電壓,電壓表成了外電路,測得的電壓也小于電動勢。但是,由于電壓表的
內(nèi)電阻很大,電源的內(nèi)電阻很小,內(nèi)電壓可以忽略。因此,電壓表測得的電源兩端的電壓是可以看作等于電源電動勢的。
使用電位差計
當(dāng)有限電流通過時,在電池內(nèi)阻上要產(chǎn)生
電位降,從而使得兩極間的電位差較電池電動勢要小。因此,只有在沒有電流通過電池時兩電極間的電位差才與電池電動勢相等。在
精確測量時,不能直接用伏特計來測量一個電池的電動勢,就是因為使用
伏特計時必須使有限的電流通過回路才能驅(qū)動指針旋轉(zhuǎn),所得結(jié)果必然不是電池的電動勢,而只是電池兩極間的
路端電壓。
一般采用補(bǔ)償法測電池的電動勢,常用的儀器為電位差計。電位差計是按照對消法測量原理而設(shè)計的一種平衡式電壓測量儀器。它與標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計等相配合,成為電壓測量的基本儀器。[8]
其工作原理如下:
工作電源E,電阻R
AB,限流電阻R
P構(gòu)成的測量電路,其中電
電位差計測量電源電動勢原理圖
流
。待測電源E
X與檢流計G組成分路,調(diào)節(jié)滑動變阻器P使電流計G中電流為零,則E
X=V
AP=R
AP=I
0。波動開關(guān)K,改用標(biāo)準(zhǔn)電池E
S,再次調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流計G中電流為零,斷開開關(guān)K
e測得滑動變阻器電阻R
S,可得E
S=R
S×I
0,因此
。[9]
與電勢差區(qū)別
電動勢與
電勢差(
電壓)是容易混淆的兩個概念。電動勢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與
電荷量的比值;而電勢差則表示靜電力把單位正電荷從
電場中的某一點(diǎn)移到另一點(diǎn)所做的功與電荷量的比值。它們是完全不同的兩個概念。
雖然電動勢與電勢差(電壓)有區(qū)別,但電動勢和電勢差一樣都是標(biāo)量。對于給定的電源來說,不管外電阻是多少,電源的電動勢總是不變的,而電源的路端電壓則是隨著
外電阻的變化而變化的,它是表征外電路性質(zhì)的物理量。[10]
與電壓區(qū)別
電動勢和電壓雖然具有相同的單位,但它們是本質(zhì)不同的兩個物理量。
(1)它們描述的對象不同:電動勢是電源具有的,是描述電源將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能本領(lǐng)的物理量,電壓是反映電場力做功本領(lǐng)的物理量[11]
。
(2)物理意義不同:電動勢在數(shù)值上等于將單位電量正電荷從電源負(fù)極移到正極的過程中,其他形式的能量轉(zhuǎn)化成的電能的多少;而電壓在數(shù)值上等于移動單位電量正電荷時電場力作的功,就是將電能轉(zhuǎn)化成的其他形式能量的多少。它們都反映了能量的轉(zhuǎn)化,但轉(zhuǎn)化的過程是不一樣的[11]
。
(3)二者做功的力不同:電壓是電場中兩點(diǎn)間的電勢差值,電場力在電場中移動單位正電荷所做的功就是電勢差,即電壓,W=UQ是電場力做的功,可見電壓U是與電場力做功相聯(lián)系的.電動勢是反映電源非靜電力做功這種特性的,它的數(shù)值大小等于電源非靜電力從電源負(fù)極向正極移送單位正電荷所做的功.在化學(xué)電源中非靜電力是與離子的溶解和沉淀過程相聯(lián)系的化學(xué)作用;在溫差電源中非靜電力是與溫差和電子濃度相聯(lián)的擴(kuò)散作用;在普通發(fā)電機(jī)中非靜電力的作用是電磁作用.電動勢羅二即q中的平就是諸如以上這些非靜電力所做的功,所以電動勢g是與非靜電力做功相聯(lián)系的[12]
。
(4)能量的轉(zhuǎn)化過程不同:電壓是電勢能變化的量度,是將電場能轉(zhuǎn)化為電荷機(jī)械能的過程.由于電勢在數(shù)值上等于單位正電荷在電場中具有的電勢能,電場中存在電壓,正電荷可以在電場力作用下通過做功由高電勢移向低電勢處,電勢能減小.電壓越高電勢能減小越大,那電勢能轉(zhuǎn)化為電荷運(yùn)動機(jī)械能的值越大.與物體在重力場中自由下落重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的情況相類似.而電動勢卻是非靜電力反抗電場力做功,轉(zhuǎn)化其他形式能量本領(lǐng)的量度.在閉合電路中某種非靜電力作用在被移動的電荷上,增加了電荷的電勢能,在此其他形式的能如化學(xué)能、太陽能、熱能、機(jī)械能等轉(zhuǎn)化為電能.不同的電源這種由非靜電力做功轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)不同,所以電動勢也不同.如化學(xué)電源的電動勢決定于溶液跟極板的性質(zhì),發(fā)電機(jī)的電動勢決定于電樞、磁場和它們的相對運(yùn)動[12]
。
(5)在電路中的因果關(guān)系不同:如果電路中沒有電源,即使有電壓,電流形成也很短暫,最后電壓也不會維持。沒有電源(電動勢),電流就如無源之水,電壓也不會穩(wěn)定.因此電路中各部分電壓的產(chǎn)生和維持都是以電動勢的存在為先決條件的.就拿兩個孤立帶電導(dǎo)體來看,也必須要先有非靜電性質(zhì)的作用來遷移電荷,即必須先有電動勢,才談得上導(dǎo)體上有穩(wěn)定持續(xù)的電勢差(電壓)[12]
。
(6)在給定電路中變與不變不同:對于一個給定的電源,一經(jīng)制好,電動勢就固定不變,與外電路是否接通無關(guān),也與外電路的組成情況無關(guān)而電路中的電壓卻要因外電路電阻的改變而改變,如并聯(lián)支路數(shù)目增減、電阻變化時將引起電路各部分電流、電壓重新分配,電壓將發(fā)生變化至于外電路斷開時的路端電壓在數(shù)值上等于電源電動勢,也只是這種分配的一個特殊結(jié)果,并不說明電壓就是電動勢[12