A 电动势

电动势自1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星以来，人类已才把已近6000件包括人造卫星、探测器、飞船、空问站等在内的飞行器送上了太空,这些飞行器所携带的众多仪器设备，都需要供电才能工作，因此电源系统对任何一种飞行器都是必不可少的。电源系统的发展水乎,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很多厚度不到1mm、长4cm、宽2cm或长、宽都是4cm的半导体单晶薄片，组成太阳能电池。有的飞行器外表面不适宜贴太阳能电池或表面积不够时，就在飞行器身上装上几块活动的翼板，专门用来贴太阳能电池，这样的翼板叫太阳能电池翼板。图12-1就是2003年10月15日上午9时成功发射升空的我国第一艘载人宇宙飞船“神舟”五号,从图中可以清楚地看到，“神舟”五号飞船共有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。为什么电池能向电路供电？一、电荷定向移动的原因导体中的电流，是由于大量自由电荷的定向移动而形成的，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，在导体内部就形成一个稳定的电场，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。下面我们以伏打电池（也叫做伽伐尼电池)为例，说明在静电力和非静电力的共同作用下，在电路中产生持续稳定电流的情形。最简单的伏打电池就是在稀酸内放入一块铜板和一块钵板(见图12-2)。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，电流就不能维持。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r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及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。电源的电动势和某一段电路两端的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1库仑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1库仑电荷通过该电源时，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电荷通过该用电器时，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电荷通过干电池时，有1.5J其他形式的能通过“非静电力”做功转化为电能。可见与电压和电动势这两个概念有关的能量转化方向是相反的，这是它们最本质的区别。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，以区别以前学习过的“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12-2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12-2中电池以内，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12-2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12-2中铜板和锌板之间的电压；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12-2中，b、a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12-2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。有的电源不能直接用电压表测量内电压，就只能根据内电阻和电流强度，用部分电路欧姆定律进行计算得出内电压。四、闭合电路中的能量转化闭合电路中电流流动的过程是一个伴随着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,把其他形式的能转化为电能,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12-2和12-3)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，转化为其他形式的能。电荷到达负极B后,在非静电力的作用下进入接触层b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。