电势与电动势概念区分.doc

电势与电动势概念区分电势与电动势是两个既有联系又有区别的概念电势概念首先在研究静电场性质时用到，而电动势概念仅在研究稳恒电流时才用到，但稳恒电流中也涉及到电势概念正因为在同一个问题中往往要同时涉及电势与电动势这两个概念，所以，正确的区别它们就显得尤为重要下面我们先从电势讲起原则上讲，静电场与重力场相似，都是保守力场所谓保守力场就是具有场力作功与路径无关特征的场，因而可以用势函数来描述这种场的能性质例如，重力场就是用重力势能来描述，相仿，静电场也可用电势能来描述这就是说，电荷在静电场中一定的位置处，具有一定的电势能，静电场力所作的功就是电势能改变的量度为了能把问题说清，我们以简单的匀强电场为例来进行分析如图所示在场强为E的匀强电场中，电量为 的检验电荷所受的电场力为 当电荷沿场强方向由a点移动距离l而到达b点时，电场力所做的功为 如果检验电荷沿任意一条曲线由a点移动到b点（如图），则我们可以把这条曲线看成是由许多直线小段所组成，在第i段 上，电场力所做的功为 ，电场力所做的总功就等于各小段上电场力做功的总和，即： 这与检验电荷 沿直线移动所得的功值相同由此可得结论：电荷在电场中移动时，电场力作的功只与电荷的起始位置和终了位置有关，而与电荷所经路径无关这一结论虽是从匀强电场这种特殊情况推得，但实验和理论都可证明，结论是普遍成立的既然检验电荷在电场中由a点到b点能作功 ，且与具体路径无关，那么，说明检验电荷 在电场a点具有作功本领，有一定能量这种电场中特有的能量我们就把它叫作电势能这跟物体在重力场中具有重力势能完全相仿但是，我们知道重力势能只具有相对的意义，例如，距离地面高度为h的物体m的重力势能为mgh，实际上只是相对地面而言，即是取地面为重力势能参考点的结果同样道理，电势能也是一个相对量如把检验电荷在a点的电势能看作就是 ，则b点就是电势能的参考点电势能的参考点选取完全是任意的，一般在电学中常把 远处取作电势能的参考点在这种情况下，考虑到不失一般性，任意电荷q在电场中任一点a的电势能就可表示为： （1）此式的物理意义是电荷q在电场中任一点a的电势能就是电场力驱使电荷q从该点到 处所作的功应该指出，与重力势能相似，电势能也是属于一定系统的上式表示的电势能是电荷q和电场这整个系统的，且与q的大小成正比因此，电势能 并不直接反映某一给定点a处电场能的性质但是，我们发现 都与q无关，只决定于电场本身的性质以及场中给定点a的位置所以，这个比值就是表征静电场中给定点电场能性质的物理量，称电势（亦称电位），一般用 表示a点电势，即： （2）在（2）式中，当电荷q为单位正电荷，即这表示电场中某一点的电势在量值上等于单位正电荷放在该点处具有的电势能，也等于单位正电荷从该点经过任意路径到无穷远处时电场力所作的功既然电势能是个相对量，那么电势当然也是一个相对量（2）式所定义的电势显然是以无穷远处作为零电势参考另外，电势能有正负之分，所以，电势显然是个标量，但也有正负之分那种认为电势是恒正的说法是错误的在无穷远处作为参考点情况下，在场源是正电荷的电场中，电势永远是正的；在场源是负电荷的电场中，电势永远是负的在静电场力作用下，正电荷只能从高电势运动到低电势；负电荷只能从低电势运动到高电势，无论是正电荷还是负电荷，都只能是由电势能高的地方运动到电势能低的地方电势的单位在国际单位制中是焦耳库仑，称为伏特接下来我们再讨论电动势导体内形成电流必须依赖于两个条件：（1）导体内有可以移动的自由电荷；（2）导体内要维持一个稳恒的电场这两个条件是缺一不可的如图所示，A和B是两个彼此隔开的导体，导体A带正电荷，电势为 ，导体B带等量的负电荷，电势为 如果用长为l的细长导线把两者连接起来，这时，导线内就有电流，场强 的方向沿导体从A指向B，导线两端的电势差（电压）是 由于这电场的作用，导体内自由电子作宏观定向运动而形成暂时电流当电子逆着电场方向运动到A时，将和A上的正电荷中和，使导体A的电势逐渐下降，导体B则因不断失去电子而电势逐渐升高结果使导体A和B的电势差逐渐减小，直至A和B的电势相等，金属导线内的场强为零，电流也随之停止所以，仅仅靠一时的电场是不可能使导体中维持恒稳电流的要在导体中维持电流，必须在导体内建立恒稳电场而要维持一个恒稳电场，只靠静电力作用是不行的，必须有静电力以外的所谓非静电力迫使电荷反抗静电力，从电势能低的地方移向电势能高的地方，不断使其他形式的能（如化学能、机械能等），转化为电能才行为了便于说明问题，我们把上图改画成图（a）在电流流动过程中，如果我们把每一时刻到达导体A的负电荷不断地送回导体B上（或者把到达导体B的正电荷不断地输送到导体A上），那么，我们就能保持导体A和B的电势差不变也就是说，使金属导线内建立恒稳电场恒稳电场虽然不随时间变化，但它同静电场是有区别的不过，理论上可证明它也是一个有势场前面所论述的电势概念在这种场中完全适用恒稳电场要靠具有非静电力的电源来维持显然，要使正电荷从低电势的B处移向高电势的A处，在这个过程中，必须克服静电力作功，这个任务就是电源内的非静电力完成的在化学电源中物质的化学变化产生的“化学力”就是一种非静电力；在发电机中，电枢在磁场中转动时，磁场对运动电荷的作用力也是一种非静电力可见，电源是把其他形式的能量转化成电势能的一种装置，它能克服静电力作功，迫使正电荷从低电势处经电源内部移向高电势处电源的作用就好像水泵的作用，水泵可以使水由水位低处经水泵移动到水位高处每一电源都有正、负两极（电势高的为正极）通常把电源内部正、负两极之间的电路称为内电路正电荷由正极流出，经过外电路流入负极，然后，正电荷再靠非静电力从负极经内电路流到正极，如图（b）所示内、外电路构成闭合电路，在电源作用下，电荷在闭合电路中往复循环流动，形成恒稳电流实验证明，在结构一定的电源内部，当恒稳电流通过时，其他形式的能量转变为电能的量正比于所迁移的电量；不同的电源，当一定量的电荷从电源内部通过时，其他形式的能转变为电能的多少是不同的这表明，在不同的电源内部，非静电力移送单位电量所作的功是不同的为了表明电源非静电力作功本领的大小，以便比较各种不同的电源，我们就引入电源电动势这个概念电源电动势是电源中非静电力作功能力大小的标志，它在数值上等于电源内部非静电力移送单位正电荷从负极到正极所作的功电源电动势的大小只取决于电源本身的结构和所处状态，而与外电路无关从电动势定义知，它的单位与电势单位相同，也是焦耳库仑，即伏特电动势是个标量，其值始终是正的习惯上，为便于应用，常给电动势规定一个方向：从电源的负极指向正极（见图（b）最后，我们把电势和电动势的主要区别和联系归纳如下：（l）电势是反映电场（包括恒稳场）本身的能的性质的物理量，其大小和电场中某点的位置、电场本身的性质有关，与检验电荷的存在与否无关它像电场强度一样是个客观量；电动势是定量反映电源内非静电力作功本领的物理量，它由电源本身的性质决定，而与电源内是否有电流无关，也是一个客观量（2）电路中各点的电势是由电源电动势分离正、负电荷而建立的，电势（或电势差）与电源的电动势同存在于直流电路中，它们的数量关系是：闭合电路中电动势等于电路中各段电势降落的代数和（指单电源时）电势存在于全电路上各点，而电动势只能存在于电源内部（感应电动势除外，因为变化磁场在闭合回路中产生的感应电动势往往分布在整个回路中）（3）电势和电动势