大家都熟悉手電筒,它是由電池、小燈泡和導(dǎo)體組成的電路,如圖1-10,當(dāng)把開(kāi)關(guān)合上后小燈泡亮。這說(shuō)明電路中有持續(xù)不斷的電流流過(guò)燈泡。本節(jié)將通過(guò)這種最簡(jiǎn)單的電路,說(shuō)明電荷持續(xù)不斷地定向流通的原因,從而理解電路中電動(dòng)勢(shì)的概念。如圖1-11所示的電容器,如先使a、 b兩極板分別帶有正負(fù)電荷,在兩極板間就形成了電場(chǎng), ab兩極板間形成電位差,這一過(guò)程稱為充電。顯然, a極板的電位高于b極板。如果用導(dǎo)線將電容器ab兩極板聯(lián)接起來(lái),由于ab兩極板正負(fù)電荷的作用使導(dǎo)線中形成了電場(chǎng),導(dǎo)線中的自由電子在電場(chǎng)力的作用下遂由低電位的b極板向高電位的a極板移動(dòng),電容器開(kāi)始放電,形成了如圖1-11所示與電子運(yùn)動(dòng)相反方向的電流。這樣在圖1-11的電路中,正電荷由高電位的a極板經(jīng)由導(dǎo)線移向低電位的b極板,其結(jié)果是使異性電荷相互中和,兩極板上的電量隨著放電的進(jìn)行而逐漸消失,電位差也逐漸減低,一直到兩極板上電荷都中和完了,電位差降到零為止。極板間和導(dǎo)線內(nèi)也就不存在電場(chǎng),電子就會(huì)停止流動(dòng),電流為零。
為了使正電荷在導(dǎo)線中能持續(xù)不斷地定向運(yùn)動(dòng),就要將正電荷從低電位的b極板經(jīng)由極板間不斷地搬移到高電位的a極板如圖1-11所示,使保持兩極板上原來(lái)的正負(fù)電荷量不變,即保持兩極板間原有的電位差,這樣就可使導(dǎo)線中有電荷持續(xù)不斷地流通了。要做到這一點(diǎn),必須要有一外力能將正電荷逆著電場(chǎng)方向由b極板(低電位)搬運(yùn)到a極板(高電位)。
能把正電荷從低電位搬運(yùn)到高電位的設(shè)備稱為電源。電源內(nèi)部具有能把正電荷從低電壓搬到高電位的外力,這種外力就稱為電源力。
將正電荷從高電位移向低電位,也就是電流從高電位流向低電位,是電場(chǎng)力作功。如果負(fù)載是小燈泡,則燈泡中就有電流流通而使燈絲灼熱而發(fā)光,使電能變?yōu)闊崮芎凸饽?。電源力使正電荷在?nèi)部由低電位移向高電位,也就是電流從低電位流向高電位,這是電源力在作功而變?yōu)殡娔?。如電源是電池,則為化學(xué)能變?yōu)殡娔埽蝗珉娫词前l(fā)電機(jī),則為機(jī)械能變?yōu)殡娔?。整個(gè)電路中電流流通的動(dòng)力來(lái)源于電源內(nèi)部的電源力,而整個(gè)電路中所消耗的全部能量,則為電源內(nèi)部電源力搬移電荷所作的功。
日常使用手電筒的小燈泡和照明用的大燈泡,其發(fā)光的物理過(guò)程都是一樣的,都是定向電荷運(yùn)動(dòng)造成燈絲灼熱而發(fā)光??墒切襞莶蝗绱鬅襞萘粒@說(shuō)明電源力作功的本領(lǐng)并不一樣。為了衡量電源力做功的大小,這里引進(jìn)一個(gè)新的物理量——電動(dòng)勢(shì)。如果電源力搬移電荷量q所作的功為ad,則將ad與電量q之比值,稱為電源的電動(dòng)勢(shì)(簡(jiǎn)稱電勢(shì)),用符號(hào)e表示。
電勢(shì)的單位顯然與電壓、電位的單位一樣也是伏特(v)。電勢(shì)e在數(shù)值上等于電源力將一個(gè)單位電量的正電荷從電源負(fù)極移到電源正極所作的功。電勢(shì)的方向規(guī)定為經(jīng)由電源內(nèi)部由負(fù)極(低電位)指向正極(高電位),在電路圖中的符號(hào)如圖1-12所示。
本章所討論的電源,其電勢(shì)都不隨時(shí)間而變化,即具有恒定不變的 電勢(shì),稱為直流電源。電池就是最常用的直流電源。普通干電池的電勢(shì)為1.5伏,而鉛蓄電池的電勢(shì)約為2伏。電勢(shì)的大小及方向隨時(shí)間變化的電源稱為交流電源。我們經(jīng)常使用的照明用電就是交流電源的一種。