概述
电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量电动势使电源两端产生电压在电路中电动势常用E表示单位是伏V
在电源内部非静电力把正电荷从负极板移到正极板时要对电荷做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如设W为电源中非静电力电源力把正电荷量q从负极经过电源内部移送到电源正极所作的功跟被移送的电荷量的比值则电动势大小为
如电动势为6伏说明电源把1库正电荷从负极经内电路移动到正极时非静电力做功6焦有6焦的其他其形式能转换为电能电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极即与电源两端电压的方向相反
生成机制
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
化学电动势干电池钮扣电池蓄电池等的非静电力是一种" style="float: right;" picsrc="5af4d7ea1eff0e90d539c9d1" data-layout="right" width="229" height="300" url="http://d.hiphotos.baidu.com/baike/s%3D220/sign=80e58b5f8701a18bf4eb154dae2f0761/0df3d7ca7bcb0a46f92e864a6b63f6246b60afb0.jpg" compressw="167" compressh="220" useredit="1" />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
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
与路端电压关系
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
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
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电源放电
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
使用电压表
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
工作电源E电阻RAB限流电阻RP构成的测量电路其中电电位差计测量电源电动势原理图
流待测电源EX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EX=VAP=RAP=I0波动开关K改用标准电池ES再次调节滑动变阻器使电流计G中电流为零断开开关Ke测得滑动变阻器电阻RS可得ES=RS×I0因此与电势差区别
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