電路中的電動勢、電壓和電位的分析

摘 要： 本文簡要介紹了電動勢、電壓和電位三個物理量的相同點，對三個物理量的不同點從定義、方向和大小測量三個方面進行了分析，并對三者之間的聯(lián)系作了簡單的概括。

關(guān)鍵詞： 電動勢 電壓 電位 異同 聯(lián)系

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

一、電動勢、電壓和電位的相同點

（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行測量。

二、電動勢、電壓和電位的不同點

（一）定義

在電學(xué)類教材上，對這三者的定義是這樣的：

電動勢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極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極時非靜電力所做的功。符號為E。

電壓是衡量電場力做功本領(lǐng)大小的物理量。它的定義是單位正電荷從A點移動到B點時電場力所做的功。符號為U 。

電位同樣是衡量電場力做功本領(lǐng)大小的物理量。但它的定義是單位正電荷從P點移到參考點P 時電場力所做的功。符號為U 。

三者的定義非常相似，但它們是完全不同的三個概念。電位的定義要考慮到參考點，我們通常把參考點的電位規(guī)定為零，即零電位。一般情況選大地為參考點，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作為參考點。電位是針對一點而言的，而電壓是針對兩點而言。某點的電位值會隨著參考點位置的改變而變化，但兩點的電壓與參考點的位置選取無關(guān)，所以電位是相對的，而電壓是絕對的。

電動勢是針對電源定義的，所以只有電源有電動勢，負載不存在電動勢。電壓和電位沒有針對電源，所以不僅電源中有電壓和電位，負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）是針對電源的。但是電源電動勢是表示非靜電力把單位正電荷從負極經(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（電場力）作用下，單位正電荷從正極移動到負極所做的功。

（二）方向

電動勢的方向是在電源內(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。對于一個電源而言，電動勢的方向與電壓的方向正好相反。

而電位沒有方向，只有高低之分。

在分析電路時，我們時常遇到電動勢、電壓和電位有正負之分。電動勢和電壓數(shù)值前的正負號是用來表示方向的。在計算較復(fù)雜電路時，我們都會先設(shè)定一個參考方向，電壓和電動勢為正值，說明電壓和電動勢的實際方向與設(shè)定的參考方向相同；電壓和電動勢為負值，說明電壓和電動勢的實際方向與設(shè)定的參考方向相反。而電位的正負不表示方向，只表示高低。電位為正值時，說明該點的電位比參考點的電位高；電位為負值時，說明該點的電位比參考點的電位低。

（三）大小測量

電源的電動勢用電壓表測量。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。

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

電位的大小也可用電壓表來進行測量。測量方法與電壓的測量方法相似，只是被測電路兩端必須有一端為參考點。

三、電動勢、電壓和電位之間的聯(lián)系

（一）電動勢和電壓之間的聯(lián)系

對于一個電源，它既有電動勢又有電壓。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。對于確定的電源來說，電動勢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，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。

在電源放電的情況下（即我們通常情況下的通路狀態(tài)），此時外電路中沒有反電動勢時，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，I減小，U增大；R減小時，I增大，U減小。當(dāng)外電路斷開時，R變?yōu)闊o限大，I變?yōu)榱?，?nèi)壓降Ir也變?yōu)榱?，這時路端電壓等于電源的電動勢。

但是我們不能認為路端電壓一定小于電動勢。在電源被充電時，電源內(nèi)部的電流是從電源正極流向負極，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（與電源電動勢方向相反的電動勢，屬于感應(yīng)電動勢），這時路端電壓等于電動勢與內(nèi)壓降之和，即U=E+Ir，路端電壓大于電動勢。

（二）電壓與電位之間的聯(lián)系

（三）電位與電動勢之間的聯(lián)系

對于電源，我們很少研究它的電位，所以電位與電動勢之間沒有必然的聯(lián)系。

電動勢、電壓和電位是我們分析電路時經(jīng)常會應(yīng)用到的三個基本物理量，所以掌握三者的相同點、不同點及聯(lián)系是非常必要的。

參考文獻：

［1］張孝三.電工學(xué)［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2002.

［2］梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1980.

［3］秦曾煌.電工學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1999.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”