生成機制
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)。發(fā)電機的非靜電力起源于磁場對運動電荷的作用,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動;其二是回路在磁場中雖無相對運動,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(晶體壓電點火、晶體話筒等)來源于機械功造成的極化現(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
實際應(yīng)用中,電動勢源不可避免地有一定的
內(nèi)阻。實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就減小;反之,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)榱悖瑑?nèi)壓降Ir也變?yōu)榱,這時電源內(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。