电磁学6.电流与电动势
电流与电动势
将一个电压源连接一个电阻,发现在电源内电流与电场方向相反。所以存在类似一种像泵的装置强迫电流在电源中,沿电场的反方向运动。
就像水往低处流,必须有外力才能让其往高处走。
我们通常买的电池,提供能量的是化学能。
以铜锌原电池为例:
将一块锌板和铜板放在硫酸溶液中,中间盐桥允许离子自由通过。静置一定时间后,右边溶液中有 \(SO_4^{--}\) 和 \(Cu^{++}\) ;左边有 \(SO_4^{--}\) 和 \(Zn^{++}\) 离子。铜板为正极,锌板为负极。
有电流流过时,\(SO_4^{--}\) 充当电池中的载流子。她们会从右边流到左边,即按电场反方向运动,为什么?
因为化学反应提供了足够多的能量。
有电流流过时,\(SO_4^{--}\) 从右边流到左边,右边 \(SO_4^{--}\) 减少,液体要保持中性, \(Cu^{++}\) 也必须减少,她们会沉积到铜板上——镀铜。同理,左边\(SO_4^{--}\) 增多,液体要保持中性,\(Zn^{++}\) 也必须增多,因此锌板上部分锌就会溶解。
这个过程消耗了化学能。
当右边铜溶液浓度变淡(镀铜),或者说锌溶液变浓(锌溶解)到一定程度,电池就停止工作。
我们可以利用外接电源提供一个反方向的电流,使整个化学反应逆转。
汽车蓄电池的原理和这个实验完全一样,只是用铅和氧化铅替代锌和铜,也是用到硫酸。常见的镍镉电池也一样。她们可以充电。
理想电压源两边电势差,我们称为电动势 \(EMF\) .我们可以在实际电源空载的时候测得。
电动势是源提供给每库仑电荷的能量。
电动势的大小等于非静电力把单位正电荷从电源的负极,经过电源内部移到电源正极所作的功。
这个做功的物理过程是产生电源电动势的本质。非静电力所做的功,反映了其他形式的能量有多少变成了电能。因此在电源内部,非静电力做功的过程是能量相互转化的过程。
电池的电动势为12V,这意味着电池为每库仑电荷提供12焦耳的能量。
注意:电势差(我们常说的电压)是一库仑电荷从一点移动到另一点所消耗的能量,这个能量由电源提供,电动势是对电源这种能力的度量。电动势在整个电路中传递能量。电位差是电路上任意两点之间能量的度量。即使电流不在电路中流动,电路中也存在电动势,而当电流的大小保持为零时,电路中不存在电位差。电动势是电路所能达到的最大电压(开路)。
两个是完全不同的概念,只是电动势的单位也是伏特,常常混淆。
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实际电压源由于内阻 \(r_i\)的存在,当接上负载有电流 $I $ 流过时,内阻会损耗一部分电压 \(V=Ir_i\) 当我们测的电源两边的电势差会小于 EMF。
短接电源两边,我们可以得到最大电流:
此时两边电势差为0.
功率
假设将一个电荷 \(q\) 从A点移动到B点,\(V_A>V_B\),所做的功就是电荷量乘以电势差。
单位时间做的功就是
\(\frac{dq}{dt}\) 就是电流,单位时间内流过的电荷量。单位时间内做的功我们称为"功率P"。
功率等于电流乘以电势差,总是成立。
单位是焦耳每秒,通常写作瓦特(W)。