学过初中物理的人都知道，电源可以产生电压，电子们在电源电压的驱动下，产生定向移动形成电流。电流具有能量，人类学会了利用这股能量，从此科技突飞猛进。然而大部分教材都是从宏观的角度去描述电压这个概念，今天我想从微观的角度，来聊聊电源的电压是如何产生的。

从正负电荷之间存在引力说起吧。假设有一对正负电荷，在这种天然的引力作用下，正电荷和负电荷会紧紧的抱在一起的。

 当我们给负电荷注入某种能量，让其可以脱离正电荷的束缚。当然正电荷还是会企图把负电荷给抓回来（自然界所有物体会天然趋向中性状态），但是正电荷的能力是有限的，只要负电荷离开正电荷达到一定距离，负电荷就可以变成自由电子，再也不用担心正电荷可以抓住它了，这个距离就是所谓的带隙。

 虽然负电荷离开了正电荷的束缚，但是正电荷对负电荷的引力还是存在的，只是引力的能量已经不足以使电子跨过带隙回到它的怀抱而已，正所谓鞭长莫及。于是，在这对正负电荷之间就出现了电场，即所谓的负电荷受到了正电荷的引力作用，但仅仅是作用而已，并不能让负电荷回到正电荷身边来。

一旦负电荷回到正电荷身边，引力就消失了。当然正电荷也不是非它不娶，如果此时有另外一个电子投入正电荷的怀抱，正电荷就没有力量去吸引原来的这个电子了，那么原来这对正负电荷之间的电场也就消失了。 

接着，我们找两块材料A和B，把这对电荷放在材料A上，并保证这两块材料之间的距离d大于正负电荷的带隙。 

当我们通过注入某种能量，使得负电荷向下慢慢离开正电荷，一直分开到当负电荷到达材料B上。这样两块材料之间就出现了电场F。这有点像在用手拉开一个弹簧，给弹簧上了劲。 

 这就构成了一个简单的电源。存在正电荷的材料就是电源的正极，存在负电荷的材料就是电源的负极。两块材料之间电场，使电源负极的电子有了势能，正负电极之间就出现了电压u。如果我们分别增加电源正极正电荷数量，电源负极负电荷数量，电场强度就会变大，电源的电压也就会变大。

如果我们给电源两端接上一个通路，负电荷就会在电场的作用下发生定向移动，流向电源正极，形成电流。电子到了电源正极之后，就会跟电源正极的正电荷发生中和，随着中和了的电荷对的数量增多，电源两端的电场就会慢慢下降，电源的电压就会慢慢降低。

 以上便是电源的电压是如何产生的基本原理，希望可以帮助大家对电学有个更深入的理解。

这里的负电荷一般就是指电子，从电学的角度看，电子本质上就是一种能量载体。通常情况下，电子都是作为原子的价电子围绕着原子核做着无规则运动。这种能量形式的电子，很难被人类所控制和利用。而在电源的电场力的作用下，电子们得到了势能，电子们就可以按照电场力的反方向在通路里开始运动，最终形成电流，也就是电子们的势能转化成了动能。电子承载着能量，在电压的控制下，朝着电源正极移动，而形成了一种可以为人类所利用的能量形式（电能）。

其实自由电子也是可以独自在空中自由飘荡的，但是由于其过于弱小，很容易受到现实中各种其它电场力的作用而跑的无影无踪。因此想要把电子集中起来形成电流，除了需要电源电压提供动力以外，还需要为自由电子们设计一个专门的通路。

电压的物理意义到底是什么？

电压的物理意义是指电子在两个不同的位置所具有的电势能的差值。比如一个电容，在电容的正极和负极之间有1v的电压，则表示电容负极每1C(库伦)电子比正极1C电子多出1J(焦耳)的电势能。也就是。

那电势能又是怎么来的呢？

先解释一下库伦，从人类的角度看，由于一个电子能携带的能量实在太小（每个电子携带了库伦的电量），宏观上不方便计算，所以引入库伦的概念。1库伦指的是个电子，简称1C。

然后来解释电势能，但是在说电势能之前。我们先来梳理一下能量等一些更基础的概念。

所谓的能量就是指物体做功的能力。比如我们推动一个物体移动，就是在做功。功和能量的单位都是焦耳(J)，力学里规定，当以1牛顿的力推动物体移动1米的距离，所做的功就是1J。常见的能量形式有动能、热能、光能、势能，动能就是物体移动的额能力，热能就是物体发热的能力，光能就是物体发光的能力，而势能就是物体做功的潜力。比如说用手去压弹簧，弹簧受力被压后，就具备了做功的潜力。虽然现在还没做功，但是只要一松手，立马弹开做功，这种做功的潜力就是弹性势能。

然后就是功率的概念，功率指的是单位时间消耗的能量大小，功率的单位是瓦特（w）。如果1s钟消耗1个焦耳的能量就是表示其功率为1w。即1j=1N*m=1w*s。

有了以上概念为基础，我们就可以来理解电势能了。我们依然以这个两端电压为1v的电容为例。电容的负极堆满了自由电子，电容的正极堆满的正电荷。这些自由电子受到电容正极正电荷的引力作用，同时也受到自由电子们之间的斥力作用，我们可以把这些复杂的力统一概括起来称之为静电场力或库伦电场力。由于静电场力的作用，这些电子就有了往电容正极运动的趋势，但是因为此时电容正负两极还处于绝缘状态，电子并不能移动，仅仅只是具有了运动的趋势，有点类似于发生了形变的弹簧想恢复原样但还没恢复那种样子。这些暂时不能移动的的自由电子，也就具有了做功的潜力，也就具有了电势能。因此我们也能看出电势能的大小跟电容两端存储的电荷数量多少有关，电荷越多，电势能越大，电压也就越高。

有了电势能概念后，我们从另一个角度再来理解下电压的概念。现在我们应该能明白，自由电子在电源负极时具有势能，电压其实就是用来衡量并量化这种能量大小的。电压就是自由电子分别在电源正极和负极时，所具有的势能的差值。如果电池两端电压时1v，它表示在电池的负极上的1C电子相对于电池正极会有1J的电势能。如果电池两端电压时2v，它表示在哎电池的负极上的1C电子相对于电池正极会有2J的电势能。

当电源导通后，由于势能的存在，自由电子将朝着电源正极移动，也就是电路将产生电流。电流的产生说明了自由电子所具有的势能开始转变成了动能。自由电子的势能越大，也就说明产生的电流之和后，自由电子的动能也就越大。自由电子在回到电源正极之前，一般会经过负载，并在负载上释放能量，比如撞击到负载的原子动能就会变成热能。因此自由电子本质上就是一种能量的载体，如何控制电子运载能量，就是电学的本质。

再简单带一下电流的概念，因为电压的电流的概念通常都是需要绑定在一起的。某个电路里的电流，指的是单位时间内流过这一电路的电子数量的多少。比如1s时间内，流过了1C的电子，那么此时电路的电流就是1安培(A)，1s时间内流过了1C的电子，那么此时电路的电流就是2A。与此同时，我们还知道此时电路电源电压为1v，那就说明每1C电子携带的能量是1J，那么我们就知道了此时电路的功率为1瓦特(w)，即P=UI=1V * 1A=1J=1J/1C * 1C/1S=1W。

最后，我们以一个例子对上述概念的理解做一个总结，尝试着从一个全新的角度去理解电压这个概念。当我们看到一个正负两端电压为4.2伏的锂电池时，它表示该电池正极和负极之间每库伦的电子有4.2J的势能，也就表示当该电池开始给某个电路做电源时，从该电池负极流出的每1库伦的电子都会携带4.2焦耳的动能。

用人话告诉你电源的电压是如何产生的