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电动势

名词解释
即电子运动的趋势,能够克服导体电阻对电流的阻力,使电荷在闭合的导体回路中流动的一种作用。这种作用来源于相应的物理效应或化学效应,通常还伴随着能量的转换,因为电流在导体中(超导体除外)流动时要消耗能量,这个能量必须由产生电动势的能源补偿。如果电动势只发生在导体回路的一部分区域中,就称这部分区域为电源区。电源区中也存在着电阻,称为电源的内阻。电源区之外部分导体回路中所消耗的能量,直接来源于导体中的电磁场,但是这时电磁场的能量仍然来自电源。

生成机制/电动势

电源的电动势是和非静电力的功密切联系的。非静电力是指除静电力外能对电荷流动起作用的力,并非泛指静电力外的一切作用力。不同电源非静电力的来源不同,能量转换形式也不同。

切割磁场而产生电动势。

化学电动势(干电池、钮扣电池、蓄电池等)的非静电力是一种

与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用,电动势的大小取决于化学作用的种类,与电源大小无关,如干电池无论1号、2号、5号电动势都是1.5伏。产生化学电动势的电池称为化学电池或电化电池,例如:铜锌原电池,电解质溶液为硫酸铜溶液。

感生电动势和动生电动势(发电机)。发电机的非静电力起源于磁场对运动电荷的作用,即洛伦兹力。

根据法拉第电磁感应定律:只要穿过回路的磁通量发生了变化,在回路中就会有感应电动势产生。而实际上,引起磁通量变化的原因不外乎两条:其一是回路相对于磁场有运动;其二是回路在磁场中虽无相对运动,但是磁场在空间的分布是随时间变化的,将前一原因产生的感应电动势称为动生电动势,而后一原因产生的感应电动势称为感生电动势。

电动势

感应电动势的大小

为磁通量的变化量,

为时间,

为线圈匝数)

光生电动势(光电池)的非静电力来源于内光电效应。

在光照下,若入射光子的能量大于禁带宽度,半导体PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量,受激发跃迁至导带形成自由电子,而价带则相应地形成自由空穴。这些电子一空穴对,在内电场的作用下,空穴移向P区,电子移向N区,使P区带正电,N区带负电,于是在P区和N区之间产生电压,称为光生电动势,这就是光伏特效应。利用光伏特效应制成的敏感元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。

压电电动势(晶体压电点火、晶体话筒等)来源于机械功造成的极化现象。

当电介质(晶体)受到一定方向外力的作用而产生变形时,就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化现象,从而导致在相应的两个表面上产生符号相反的电荷,于是在两个表面产生电压,称为压电电动势;当外力作用除去时,表面的电荷也随之消失,又重新恢复不带电状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变。

温差电动势(温差电源)的非静电力是一种与温度差和电子浓度差相联系的扩散作用。

1821年德国物理学家塞贝克(T J Seeback)发现:当两种不同金属导线组成闭合回路时,若在两接头维持一温差,回路就有电流和电动势产生,后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势述回路称为热电偶。

计算公式/电动势

E=W/q (E为电动势)

E=U+Ir=IR+Ir

(U为外电路电压,r电源内阻,R为外电路电阻集总参数)

物理意义/电动势

由上式可知,在电源内部,非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功。也就是说,电荷之间的相互作用是通过电场发生的。只要有电荷存在,电荷的周围就存在着电场,电场的基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用,这种力就叫做电场力。这种力一定会维持。

与路端电压关系/电动势

电源的路端电压是指电源加在外电路两端的电压,是静电力把单位正电荷从正极经外电路移到负极所做的功。对于确定的电源来说,电动势E和内电阻r都是一定的。

理想电动势源不具有任何内阻,放电与充电不会浪费任何电能。理想电动势源给出的电动势与其路端电压相等。

在实际应用中,电动势源不可避免地有一定的内阻。实际电动势源的电阻可以视为一个理想电动势源串联一个电阻为内阻的电阻器。电源的电动势对一个固定电源来说是不变的,而电源的路端电压却是随外电路的负载而变化的。内阻的大小取决于电动势源的大小、化学性质、使用时间、温度和负载电流。

电源充电电动势

在电源被充电时,电源内部的电流是从电源正极流向负极,内压降的方向与电动势的方向相反,电源的电动势是反电动势,这时路端电压等于电动势与内压降之和,即

,电路端电压大于电动势。

电源放电电源放电

在电源放电的情况下,当外电路中没有反电动势时,路端电压的

变化规律服从含源电路的欧姆定律,其数学表达式为:

为电源的内电压,也叫内压降。可得

,即电流I的大小随外电阻R而变化。电流I增大时,内压降Ir增大,路端电压U就减小;反之,电流I减小时,路端电压U就增大。

电源断开

当电源的外电路断开时,R可看作无限大,I变为零,内压降Ir也变为零,这时电源内部的非静电力与静电场力平衡。路端电压等于电源的电动势。

测量方法/电动势 使用电压表电动势

电源的电动势可以用电压表测量。测量的时候,电源不要接到电路中去,用电压表测量电源两端的电压,所得的电压值就可以看作等于电源的电动势。如果电源接在电路中,用电压表测得的电源两端的电压就会小于电源的电动势。这是因为电源有内电阻。在闭合的电路中,电流通过内电阻r有内电压降,通过外电阻R有外电压降。电源的电动势E等于内电压Ir和外电压IR之和,即

。严格来说,即使电源不接入电路,用电压表测量电源两端电压,电压表成了外电路,测得的电压也小于电动势。但是,由于电压表的内电阻很大,电源的内电阻很小,内电压可以忽略。因此,电压表测得的电源两端的电压是可以看作等于电源电动势的。

使用电位差计

当有限电流通过时,在电池内阻上要产生电位降,从而使得两极间的电位差较电池电动势要小。因此,只有在没有电流通过电池时两电极间的电位差才与电池电动势相等。在精确测量时,不能直接用伏特计来测量一个电池的电动势,就是因为使用伏特计时必须使有限的电流通过回路才能驱动指针旋转,所得结果必然不是电池的电动势,而只是电池两极间的路端电压。

一般采用补偿法测电池的电动势,常用的仪器为电位差计。电位差计是按照对消法测量原理而设计的一种平衡式电压测量仪器。它与标准电池、检流计等相配合,成为电压测量的基本仪器。

其工作原理如下:

电位差计测量电源电动势原理图

工作电源E,电阻R,限流电阻R构成的测量电路,其中电

。待测电源E与检流计G组成分路,调节滑动变阻器P使电流计G中电流为零,则E=V=R=I。波动开关K,改用标准电池E,再次调节滑动变阻器使电流计G中电流为零,断开开关K测得滑动变阻器电阻R可得E=R×I,因此

与电势差区别/电动势

电动势与电势差(电压)是容易混淆的两个概念。电动势是表示非静电力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所做的功与电荷量的比值;而电势差则表示静电力把单位正电荷从电场中的某一点移到另一点所做的功与电荷量的比值。它们是完全不同的两个概念。

虽然电动势与电势差(电压)有区别,但电动势和电势差一样都是标量。对于给定的电源来说,不管外电阻是多少,电源的电动势总是不变的,而电源的路端电压则是随着外电阻的变化而变化的,它是表征外电路性质的物理量。

与电压区别/电动势

电动势和电压虽然具有相同的单位,但它们是本质不同的两个物理量。

(1)它们描述的对象不同:电动势是电源具有的,是描述电源将其他形式的能量转化为电能本领的物理量,电压是反映电场力做功本领的物理量

(2)物理意义不同:电动势在数值上等于将单位电量正电荷从电源负极移到正极的过程中,其他形式的能量转化成的电能的多少;而电压在数值上等于移动单位电量正电荷时电场力作的功,就是将电能转化成的其他形式能量的多少。它们都反映了能量的转化,但转化的过程是不一样的

(3)二者做功的力不同:电压是电场中两点间的电势差值,电场力在电场中移动单位正电荷所做的功就是电势差,即电压,W=UQ是电场力做的功,可见电压U是与电场力做功相联系的.电动势是反映电源非静电力做功这种特性的,它的数值大小等于电源非静电力从电源负极向正极移送单位正电荷所做的功.在化学电源中非静电力是与离子的溶解和沉淀过程相联系的化学作用;在温差电源中非静电力是与温差和电子浓度相联的扩散作用;在普通发电机中非静电力的作用是电磁作用.电动势罗二即q中的平就是诸如以上这些非静电力所做的功,所以电动势g是与非静电力做功相联系的

(4)能量的转化过程不同:电压是电势能变化的量度,是将电场能转化为电荷机械能的过程.由于电势在数值上等于单位正电荷在电场中具有的电势能,电场中存在电压,正电荷可以在电场力作用下通过做功由高电势移向低电势处,电势能减小.电压越高电势能减小越大,那电势能转化为电荷运动机械能的值越大.与物体在重力场中自由下落重力势能转化为动能的情况相类似.而电动势却是非静电力反抗电场力做功,转化其他形式能量本领的量度.在闭合电路中某种非静电力作用在被移动的电荷上,增加了电荷的电势能,在此其他形式的能如化学能、太阳能、热能、机械能等转化为电能.不同的电源这种由非静电力做功转化为电能的本领不同,所以电动势也不同.如化学电源的电动势决定于溶液跟极板的性质,发电机的电动势决定于电枢、磁场和它们的相对运动

(5)在电路中的因果关系不同:如果电路中没有电源,即使有电压,电流形成也很短暂,最后电压也不会维持。没有电源(电动势),电流就如无源之水,电压也不会稳定.因此电路中各部分电压的产生和维持都是以电动势的存在为先决条件的.就拿两个孤立带电导体来看,也必须要先有非静电性质的作用来迁移电荷,即必须先有电动势,才谈得上导体上有稳定持续的电势差(电压)

(6)在给定电路中变与不变不同:对于一个给定的电源,一经制好,电动势就固定不变,与外电路是否接通无关,也与外电路的组成情况无关而电路中的电压却要因外电路电阻的改变而改变,如并联支路数目增减、电阻变化时将引起电路各部分电流、电压重新分配,电压将发生变化至于外电路断开时的路端电压在数值上等于电源电动势,也只是这种分配的一个特殊结果,并不说明电压就是电动势

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