第十章A 电动势

在基础型课程中，我们学习了组合电路的简单应用，知道了什么是逻辑电路，并通过“学习包”初步知道自动控制和机器人，但是电源为什么能持续地提供电流？电流在闭合电路中流动遵循什么规律？怎样确定导体电阻的大小？超导又是怎么回事？电路有哪些实际应用？这些比较深入的电路知识就是本章的主要内容。

本章将从化学电池着手，介绍电动势的概念，从而学习电源可持续供电的道理。关于电流的规律，我们将在部分电路欧姆定律的基础上，进一步学习闭合电路欧姆定律，以全面掌握电路中电流所遵循的规律，并通过实例介绍电路规律的实际应用。超导现象是重要的物理现象，对它的研究和利用是现代科学技术的重要任务，本章将简单介绍超导现象，使大家了解新技术发展的一个侧面。

自1957年前苏联发射了第一颗人造卫星以来，人类已把近6 000件包括人造卫星、探测器、飞船、空间站等在内的飞行器送上了太空。这些飞行器携带的众多仪器设备，需要供电才能工作，因此电源系统对任何一种飞行器都是必不可少的。电源系统的发展水平，对提高飞行器的性能，使它能完成广泛而复杂的任务具有决定性作用。随着太空技术的发展，飞行器的工作寿命不断提高，功能日益改进，电源系统的功率已从早期的数十瓦增加到数千瓦甚至上万瓦。现在，人造太空飞行器上采用的电源主要有太阳能电源、化学电源和核电源。

为了将太阳能转化为电能，往往在飞行器的外表面贴上一种厚度不到1mm、长4cm、宽2cm或长宽都是4cm的半导体单晶薄片做成的太阳能电池，有的飞行器外表面不适宜贴太阳能电池或表面积不够时，就在飞行器身上装几块活动的翼板，专门用来贴太阳能电池，这样的翼板叫太阳能电池翼板。图10-1就是我国第一艘载人宇宙飞船“神舟5号”，它于2003年10月15日上午9时成功发射升空，从图中可以清楚地看到，“神舟5号”飞船共有4个太阳能电池翼板，它保证了飞船运行期间对电力的需求。

下面我们就来学习各类电源的共同特性。

一、电荷定向移动的原因

导体中的电流，是由大量自由电荷定向移动而形成的，为了维持稳定的电流，必须在导体两端保持稳定的电压（电势差），有了稳定的电压，在导体内部就存在一个稳定的电场，正是这个电场产生的电场力，使自由电荷做定向移动，从而形成电流。

在静电力的作用下，原来静止的正电荷总是从高电势处向低电势处运动，负电荷则相反，除了静电力可以使电荷定向移动外，还有一些“非静电力”也可以使电荷定向移动，如磁场力、化学力等。与静电力不同，在“非静电力”的作用下，正电荷可以从低电势处运动到高电势处，负电荷也可以从高电势处运动到低电势处。

大家谈

在我们以前做过的有关电路的实验中，实际运动的电荷是什么？该电荷的运动路线应该怎样描述？

下面我们以伏打电池（也叫作伽伐尼电池）为例，说明在静电力和非静电力的共同作用下，电路中产生持续稳定电流的过程。

伏打电池最简单的构造就是在盐水或稀酸内放入一块铜板和一块锌板（见图10 -2）。由于化学反应的结果，铜板带正电，电势较高，锌板带负电，电势较低，两板间形成静电场。

如果在极板间连接一用电器R，在静电力的作用下，自由电子将由锌板（负极）通过用电器流向铜板（正极）做定向运动，形成由铜板流向锌板的电流。如果电路中仅仅有静电力，极板上的正负电荷将很快中和，电流不能维持。要使电流持续流动，必须要有“非静电力”把正电荷不断搬到高电势的正极A，把负电荷不断搬到低电势的负极B，而化学反应中的化学力，就是一种“非静电力”，正因为伏打电池中具有这种化学力，伏打电池才能够提供持续电流。要注意上述化学反应只发生在电极和电解液的接触层中，图中a、b表示分别位于两接触层中的点，只有在这薄薄的接触层内才有非静电力存在，图中把薄层放大了许多。

由于铜板附近的电解液中有大量的正电荷被搬到铜板上（相当于大量负电荷从铜板被搬到电解液中），该处电解液的电势很低；同理，锌板附近的电解液中有大量的负电荷被搬到锌板上（相当于大量正电荷从锌板被搬到电解液中），该处电解液的电势很高，以至于锌板附近电解液的电势要比铜板附近的电解液的电势高，这两层电解液之间也形成一个静电场，在这个静电场的作用下，正电荷由锌板附近通过电解液移向铜板附近，再被“非静电力”搬到铜板（正极）上，同时，负电荷由铜板附近通过电解液移向锌板附近，再被“非静电力”搬到锌板（负极）上。图中用粗线箭头表示静电力对正电荷的作用力方向，用细线箭头表示非静电力对正电荷的作用力方向。可见，在静电力和“非静电力”的作用下，电荷从电路的任一点出发，经过电路的不同部分，又回到出发点，开始新一轮的流动。我们把这种包含电源、用电器和导线等的完整回路叫做闭合电路或全电路。

二、电动势

电源是把其他形式的能转化为电能的装置，这种转化是通过非静电力做功来实现的。由于不同电源具有不同性质和不同强弱的非静电力，因此不同电源转化能量的本领不同，表现在不同电源保持正负两极稳定电压的本领不同。为了表示电源的这种特性，电学中引入了电动势的概念。电源的电动势高，表明该电源把其他能转化为电能的本领强，反之表明该电源把其他能转化为电能的本领弱。因此，电源电动势，是由电源本身的性质决定的，与电源是否接入电路，与电路的工作状态无关。

电源电动势用符号E表示，它的大小等于电源没有接入电路时正负两极间的电压，单位也是V，与电压的单位相同。例如干电池没有接入电路时，两极间的电压是1.5V，干电池的电动势就是1.5V；铅蓄电池没有接入电路时，两极间的电压是2V，铅蓄电池的电动势就是2V；发电机在没有接入负载时，输出端的电压可达数千伏，该发电机的电动势就是数千伏。

电源的电动势和一段电路两端电压可以有相同的大小和单位，但两者的物理含义完全不同。一段电路两端的电压表示1C电荷通过该段电路时，有多少焦耳的电能转化为其他形式的能；电源的电动势则表示1C电荷通过该电源时，有多少焦耳其他形式的能转化为电能。

例如，某用电器两端电压是1.5V，表示1C电量通过该用电器时，有1.5J的电能通过电场力做功转化为其他形式的能量。而干电池的电动势也是1.5V，表明1C电量通过干电池时，有1.5J其他形式的能通过“非静电力”做功转化为电能。可见电压和电动势这两个概念包含的能量转化方向是相反的，这是它们最本质的区别。

自主活动

请做一个“水果电池”，把铜片和锌片插进一些蔬菜水果里，如插在西红柿、柠檬里，这样就可以做成一个“水果电池”，虽然这样的“水果电池”也许不能使小灯泡发光，但用毫伏表可以量出电动势约几百毫伏。想一想为什么水果也可以做电池。

三、内电路和外电路

我们已经知道，包含电源、用电器和导线等的完整回路叫做闭合电路或全电路，以区别在基础型课程中学习过的“部分电路”。闭合电路可以分成两部分，一部分是电源外部的电路叫做外电路，例如在图10-2中电池以外与正负极板相连的电路就是外电路，以前学习过的“部分电路”就包含在现在所讲的外电路中；另一部分是电源内部的电路叫做内电路，例如在图10-2中电池内，由锌板经过电解液到铜板的这部分电路就是内电路。

外电路对电流的阻碍作用叫做外电阻，内电路对电流也有阻碍作用，叫做内电阻，简称内阻，如发电机的电枢电阻、图10-2中电池内部的电解液电阻等。当电路中有电流通过时，内、外电路的两端都有电压，外电路两端的电压就是电源两极板之间的电压，叫做外电压，也叫做端电压，如图10-2中铜板和锌板之间的电压就是外电压；内电路两端的电压叫做内电压，它不是电源正负极板之间的电压，而是电源内部靠近极板的两点间的电压，在图10-2中，a、b两点间的电压才是内电压。或者说外电压是电流通过外电阻产生的电压，内电压是电流通过内电阻产生的电压。

外电压的测量比较容易，只要把电压表的两端与电源的两个极板并联即可测得。内电压有时也可直接测量，但需要用探针深入到电源内部，如在图10-2中，只要把与电压表相连的两个金属探针深入到b、a两点（不能与电池极板接触），就可测出伏打电池的内电压。有的电源（如干电池）不能直接用电压表测量内电压，就只能用其他方法得出内电压。

自主活动

观察家用手电筒的电路结构，画出电路图，找出外电路在哪里，内电路在哪里。

四、闭合电路中的能量转化

闭合电路中电流流动的过程就是不同形式的能量不断转化的过程，前面已经谈到，在闭合电路中电源的非静电力做功，把电源的其他形式能量转化为电能，而静电力又在用电器和电路电阻中做功，把电能转化为其他形式的能。下面我们以化学电池向电热器供电为例，类比儿童在游乐场玩耍时，重力和电梯对人做功的情形，具体分析电路中能的转化，见图10-2和10-3。

正电荷在电场力的作用下，由正极A经外电阻R到达负极B，电势能减少，转化为内能，相当于儿童下滑时重力势能减少，转化为动能。电荷到达负极B后，在非静电力的作用下进入接触层如b点处，电势能增加。相当于在升降机作用下，儿童的重力势能增加。接着在电源内部电场力的作用下，正电荷通过电源内部的内电阻r，由电势高的b处到达电势低的a处，电势能转化为内电阻上消耗的内能，相当于儿童第二次滑下。到a处后，再次由非静电力做功，到达电势最高的正极A，获得最大电势能。相当于升降机第二次使儿童升高，获得最大的重力势能。在化学电池向电路供电的过程中，化学能转化为内、外电阻上的内能，总能量保持不变。

大家谈

电动自行车是“绿色”交通工具吗？为什么？

发布时间：2015/12/2 下午4:06:45  阅读次数：3266