【MCU控制 初级手札】2.8 电源、电动势 ε 【电学基础】

作者：电控工程手札

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1. 电源

在外电路中，一个经充过电后的电容器用导体将正负极板连接起来，开始时正极板上的正电荷流向负极板（等效），有瞬时电流产生，但随着电流的继续，两极板上的电荷逐渐减小，因此不能产生恒定的电流。电容放电的示意图如下所示

因此，要产生恒定的电流就必须设法让负极板上的正电荷重新回到正极板上。但只依靠静电力是无法将正电荷从负极板再运回到正极板。只有靠一种装置能产生非静电场力并克服静电力，驱动正电荷逆电场方向运动，在电流持续的情况下，仍能维持正负极板上的稳定电荷分布，从而在导体中建立恒定电场，得到恒定电流。

电源 指能够提供非静电力以把其他形式的能量转换为电能的装置。也就是说电源的作用是提供非静电力来反抗静电力做功将正电荷由负极经电源内部移到正极，同时将其他形式的能量转变为电能。

电源的种类有很多，我们把能维持导体内恒定电流的电源称为 直流电流源。

通常把电源内部正、负两极之间的电路称为 内电路，它是相对于电源外部正、负两极之间的 外电路 而言的。正电荷从正极流出，经外电路流入负极。然后，正电荷再从负极经内电路留到正极，从而构成闭合回路。

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2. 电动势

不同类型的电源，在进行能量转换时的本领也不同，为了定量描述电源进行能量转换的本领，我们引进电动势的概念。

（1）定义

电源电动势，简称 电动势（Electromotive Force，EMF）指电源内部通过 非静电力 将单位正电荷 从负极移动到正极 所做的功。常用符号 ε 表示。

（2）方向

其方向为：电源内部 从负极指向正极（电势升高）

（3）单位

电动势为 标量，其单位为 伏特（V） ，定义为单位电荷的能量或功。

$$\epsilon =\frac{W_{非}}{q}$$

（4）物理意义

电动势描述电源（或非静电力源）将其他形式的能量（如化学能、机械能等）转化为电能的本领大小。

（5）方程

闭合电路中的核心方程：

$$\epsilon =U_{外}+U_{内}=IR+Ir$$

其中，ε 为电源电动势，U_外为外电路电压（端电压），U_内为内电路电压（电源内阻压降），I 为电路电流，R 为电路外电阻，r 为电源内电阻。

根据上述公式可知：当开路或者电源内阻可忽略时，ε = U_外；当短路时，ε = Ir。

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3. 电压与电动势的差异

虽然电动势的单位也为伏特，但它与电压是两个完全不同的物理量。电动势与电压的关系概括如下：

• 电动势是电压的‘源头”，电压是电动势的“外在表现”。

• 电动势是电源的“理论推力”，电压是电路的“实际压力”。

特性	电动势 (ε)	电压 (U)
物理本质	非静电力 提供电能 的能力	静电力 消耗电能 的度量
作用位置	电源 内部（如电池内部）	电路 任意两点间（如电阻两端）
方向	电源内 负极→正极（电势升高）	外电路 高电位→低电位（电势降低）
能量关系	化学能/机械能→电能	电能→热/光/机械能
测量条件	开路时测量 U=ε（无电流）	闭路时测量 U<ε（有内阻）
电路影响	电源自身属性，与外部电路无关	由电源和电路共同决定

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