2、电学基础：从电池到电阻的全面解析

电学基础：从电池到电阻的全面解析

1. 电学基础概念

1.1 电压与电池

电压（U）与电荷（q）和电势（V）之间存在关系：$U = qV$，电势的单位是伏特（V）。电池是利用化学过程使电荷分离，从而维持固定电势的装置。当电池连接到电路中时，它会提供足够的电荷以维持该电压。不同电池补充电荷的能力不同。常见的圆柱形家用电池产生 1.5 V 的电势，其两端标记清晰，凸起端为正极，扁平端为负极，且按 AAA、AA、C 和 D 的顺序，供电能力逐渐增强。传统一次性电池由锌 - 碳（价格便宜）或碱性（质量较高）材料制成，其他类型的电池可产生不同的电压，如扁平圆形的锂 - 碘电池（CR 2016）输出 3 V。

随着便携式设备如手机、iPod 和笔记本电脑的广泛使用，电池在我们的生活中扮演着重要角色。一次性电池会因内部的化学反应导致不可逆变化而失去电量，而可充电电池，如镍 - 镉、镍 - 金属氢化物和锂离子电池，正逐渐取代一次性电池。汽车用的铅 - 酸电池已经存在很长时间，在充电过程中，电荷的流动方向与电池正常工作时相反，从而使电池的化学元素恢复到原始状态。此外，一些电压源依赖电力公司（如墙上插座），其工作原理将在后续详细介绍。

1.2 电场

电场是电学中的一个重要概念。当空间中存在电荷时，电场会为空间中的每个点分配一个矢量。电场强度 E 是带电物体在某一点所受的单位电荷力，其大小是电势的变化率，方向是电势下降最快的方向（数学上，电场是电势的梯度）。在一维情况下，$E = -\frac{dV}{dx}$（负号表示电场指向电势降低的方向），电场的单位是 V/m。力 F 等于电荷 q 乘以电场强度 E，即$F = qE$。因此，如果空间中某一区域的电