6、电压、电流与实用电源的深入解析

电压、电流与实用电源的深入解析

电压的产生与原理

当电荷从一个物体分离并转移到另一个物体时，它们之间就会产生电位差，即电压。生活中常见的例子是在地毯上行走时产生的电压，其值可能超过 10000 伏特。这种电压完全是由于正负电荷的分离导致的。

在雷雨天气中，云层中的电子会因湍流的力量从其原原子中分离出来，并被带到云层底部，使得云层上部缺少电子（带正电），下部电子过剩（带负电）。随后，排斥力将电子从云层下部挤出，使地面带正电，这样就产生了数百万伏特的电压，这也是导致空气崩溃并产生闪电放电的原因。

电压的实际来源

虽然静电放电和闪电能够产生电压，但它们并非实用的电源。常见的实用电压源是电池，以碱性电池为例，其内部的化学作用会分离电荷。碱性电池通常由锌粉混合物作为负极（阳极），二氧化锰混合物作为正极（阴极），中间由浸有电解质的纸屏障隔开，并放置在钢制外壳中。化学反应用使得锌混合物中电子过剩，二氧化锰混合物中电子不足，这种电荷分离产生了约 1.5 伏特的电压，电池顶部为正极，底部为负极。电池因其化学作用能够持续提供能量，可用于点亮灯泡或驱动电机等。

电压与势能的关系

电压的概念与势能密切相关。在力学中，物体因其位置而具有势能，例如悬挂在绳子上的沙袋，当它被提升时，就获得了势能，其势能大小等于提升它所做的功，即力与距离的乘积。在国际单位制中，力的单位是牛顿，距离的单位是米，因此功的单位是牛顿 - 米，也称为焦耳。

同样，分离正负电荷也需要做功，这会赋予电荷势能。以云层为例，当电子从云层上部移动到下部时，上部的正电荷会对电子产生吸引力，试图将它们拉回。由于电子是在克服这种力的情况下移动的，所以需要做功。分离