打开电源 剖析电动势 正视能量转化

关亚男

（锦州师范高等专科学校， 辽宁 锦州 121000）

打开电源剖析电动势正视能量转化

关亚男

（锦州师范高等专科学校， 辽宁 锦州 121000）

从本质上，电源电动势反映了电源将其他形式的能转化为电能的本领；从功用上，电源又肩负着把电能转化为其他形式能量的使命。这样，在电源内部，是完成其他形式的能量转化为电能的过程；而在电源外部，是完成电能转化为其他形式的能量的过程。

电源；电动势；能量转化

“电源”，顾名思义，电的来源。的确，日常生活经验告诉我们，消耗电能离不开电源；小学的科学常识、初高中的物理，乃至大学里一切与电有关的课程，都告诉我们，电源的母基之核心地位。

初中时作为知识的逻辑层次，首先从可“感知”的电流入手，接着分析产生电流的两个必要条件——有电源，且电路闭合。高中时我们深入学习了电源，知道它是把其他形式的能转化为电能的装置，而电源的电动势就是衡量这种能量间相互转化本领强弱的物理量。

从本质上，电源电动势反映了电源将其他形式的能转化为电能的本领；从功用上，电源又肩负着把电能转化为其他形式能量的使命。这样，在电源内部，是完成其他形式的能量转化为电能的过程；而在电源外部，是完成电能转化为其他形式的能量的过程。

在电源外部电路中，负电荷靠电场力由电源的负极流向正极；而在电源内部电路中，负电荷靠非静电力由电源的正极流向负极。但无论电源内部还是外部，电场方向都是由电源正极到负极的。即在电源外部电场力搬运电荷做正功，电势能增加；而在电源内部，电场力克服非静电力搬运电荷做功，电势能减少。

下面从以下两个角度来研究其大小。

1　理论角度

从理论上讲非静电力通过做功，将电源内部的正、负电荷分别搬运到电源负、正两极，使电源正、负两极间出现电势差。根据E=W/q，知电动势即电源内部每搬运1c电荷克服非静电力所做的功的多少。

在电源内部电阻r不可忽略的情况下，闭合电路中内外电路是串联的，根据串联的规律，内外电路的电流相等，电压之和等于闭合电路的总电压，即电源电动势，即有E=U外+U内┄┄①。

根据部分电路欧姆定律，有U内=Ir，代入①式中得E=U外+Ir┄┄②。

同理，设外电路的总电阻为R，再将U外=IR代入②式中，得E=I（R+r）┄┄③。

也可写成I=E/（R+r），此即闭合电路欧姆定律原形表达式；若将I=U外/R代入②式中，得E=U外+（U外/R）r┄┄④。

以上四个表达式都是关于电源电动势的理论计算公式。在具体解题时，已知量和未知量满足哪个关系式，就直接运用哪个公式解题。

需要说明的是，并不是所有的题都能用上述四个表达式直接计算得出来，由于电路结构的复杂多样性，常常导致解题路径的曲折多变，但都离不开闭合与部分电路欧姆定律的运用，具体解题要因题而异。

2　实验角度

从实验测量的角度讲，电源电动势即开路（或断路）电压，相当于直接将电压表接在电源两极间测得的结果。它是符合表达式①的。因为电压表内阻比较大，直接接在电源两端相当于电路断路，这样内电路电压为零，则外电路电压就等于电源电动势。

这里需要说明一点的是，当电路断开时，电压表测的是电源电动势；当电路闭合时，电压表只能测量部分或整个外电路电压。需要说明的是，通常情况下，电路闭合时，电压表不能直接测量电源内部电压。

对于一个固定的电源，其电源电动势和内阻是确定的，根据前面表达式，可用以下几种方法来测量。

〖方法一〗伏安法根据表达式②——E=U外+Ir，在同一电源下工作，能测出两组不同的U外和I，就可以列出方程组——E=U外1+Ir1 和E=U外2+Ir2，求得E和r的值。

显然需要电压表和电流表，因此把这种测量方法称为“伏安法”。其电路如图甲所示。这是最简便易行的方法。图中的用电器使用滑动变阻器即可，可以多次改变电阻值实现多次测量，又可以无需知道其具体阻值大小。

这里的“伏安法”在电学实验中用处颇大。根据R=U/I，用“伏安法”可以测电阻；根据P=UI，用“伏安法”又可以测量用电器的电功率。它们与“伏安法”测量电源的电动势和内阻都是同一个道理，即都需要有电压表和电流表。

〖方法二〗安阻法当手中只有一块电流表时，根据表达式③——E=I（R+r），在同一电源下工作，能测出两组不同的I 和R，也可以列出方程组——E=I1（R1+r）和 E=I2（R2+r），求得E和r的值。

显然除了电流表，外电路电阻还要可知。那么，既能多次改变阻值又能显示电阻示数的，非电阻箱莫属。其电路如图乙所示。

〖方法三〗伏阻法当手中只有一块电压表时，根据表达式④——E=U外+（U外/R）r，在同一电源下工作，能测出两组不同的U外和R，也可以列出方程组——E=U外1+（U外1/R1）r 和E=U外2+（U外2/R2）r，求得E和r的值。

显然除了电压表，外电路电阻还要可知，也要用到电阻箱。其电路如图丙所示。

后两种方法显然比第一种方法要求较高，是闭合电路欧姆定律与部分电路欧姆定律的综合运用。

同样，在这三种基本方法的基础上，会演绎出多种多样的电路组合，也就有不尽相同的具体解题方法，也是因题而异的。

这里需要说明一点，对于一个固定的电源，其电动势是恒定不变的，内阻往往随着使用的时间而增大，导致电路电流变小，这就是用久了的电源效果不好的原因。

综上所述，研究电路电源问题，一定要首先打开电源——认清电源结构，重点剖析电动势——理解电动势的物理意义，关键正视能量转化——掌握电路中能量转化关系。

［1］杜志建.《高中物理》〔M〕.乌鲁木齐：新疆青少年出版社，2012:213.

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1003-5168（2015）11-236-01