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，并對三者之間的聯系作了簡單的概括。

關鍵詞： 電動勢 電壓 電位 異同 聯系

在電工教學中，我們經常會遇到電動勢、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，所以許多學生對這三個物理量容易混淆，理解不透。現將三者的異點及三者之間的聯系總結如下：

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換成電能本領的物理量。它的定義是單位正電荷從負極經電源內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，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電源內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。電動勢和電壓數值前的正負號是用來表示方向的。在計算較復雜電路時，我們都會先設定一個參考方向，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系

（一）電動勢和電壓之間的聯系

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。它的變化規律服從閉合電路的歐姆定律，其數學表達式為：

U=E-Ir。

式中U為路端電壓，I為電路中的電流，r為電源的內電阻，故Ir為電源的內電壓，也叫內壓降。對于確定的電源來說，電動勢E和內電阻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有關系。電流I增大時，內壓降Ir增大，路端電壓U就減小；反之，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），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。當外電路斷開時，R變為無限大，I變為零，內壓降Ir也變為零，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，電源內部的電流是從電源正極流向負極，內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，屬于感應電動勢），這時路端電壓等于電動勢與內壓降之和，即U=E+Ir，路端電壓大于電動勢。

（二）電壓與電位之間的聯系

（三）電位與電動勢之間的聯系

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系。

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

參考文獻：

［1］張孝三.電工學［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2002.

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