第2章：电压、电流和电阻

2.3 电压

正电荷和负电荷之间存在着吸引力，必须以做功的形式施加一定的能量来克服吸引力，才能使正、负电荷分开一定的距离。所以极性相反的电荷由于它们之间的距离而具有一定的势能。电荷之间的势能之差就称为电位差或电压。电压用$V$表示，定义为单位电荷的能量或功，其计算公式如下：
$$V=\frac{W}{Q}$$
其中，电压$V$的单位是伏特（V），能量$W$的单位是焦耳（J），电荷$Q$的单位是库伦（C）。有时也用$E$来代代表电压，但本书中将使用$V$.

2.3.1 伏特

• 电压的单位是伏特，用V表示。
• 如果将1C电荷从一点移动到另一点所需要的能量恰好为1J，那么这两点之间的电位差（电压）就是1V.

【例】如果移动10C电荷需要50J的能量，则对应的电压是多少？
【答】$V=\frac{W}{Q}=V=\frac{50\mathrm{J}}{10\mathrm{C}}=5\mathrm{V}$

2.3.2 电压源

• 电压源：电压源可提供电能或电动势（工程上，通常也将电动势称为电压）。电压可以通过化学能、光能或磁能与机械运动相结合的方式离开产生。电压源包括直流电压源和交流电压源。
  

• 理想电压源：无论电路需要多大的电流，理想电压源都可以为电路提供恒定的电压。理想电压源并不存在，但在实际中是可以接近的。
  

2.3.3 直流电压源的类型

电池

• 电池：电池是一种电压源，将化学能直接转化为电能。电池不存储电荷，而是存储化学能。所有的电池都涉及到一种特殊的化学反应，称为氧化还原反应。在这种类型的反应中，电子从一种反应物转移到另一种反应物。离子通过电池中的导电溶液（电解质）进行运动。

• 在电池中，提供电子的电极有多余的电子，称为负极；获得电子的点击具有正电位，称为正极。

• 任何电池的电压都取决于电池的化学性质。

• 电池的容量是指可以从电池中获得的电子数，并用一段实际内可以提供的电流来衡量。

• 电池总电压就是单个电池电压的总和，这称为串联。将几个电池单元的正极连接在一起，所有的负极也连接在一起，这称为并联。
  

• 电池分为两大类，不可充电电池和可充电电池。不可充电电池使用一次后就被丢弃，因为它们的化学反应是不可逆的。可充电电池具有化学反应可逆的特点，可以多次充电和重复使用。

常见的电池

• 碱性二氧化锰电池：不可充电电池，通常用于掌上电脑、照相设备、玩具、收音机和录音机。
• 碳锌电池：不可充电电池，主要用于手电筒和小家电。
• 铅酸电池：可充电电池，通常用于汽车、船舶和其他类似的场合。
• 锂离子电池：可充电电池，可用于所有类型的便携式电子产品。这种类型的电池越来越多地被用于国防、航空航天和汽车。
• 锂二氧化锰电池：不可充电电池，通常用于摄影和电子设备、烟雾报警器、个人记事本、数据备份存储和通信设备。
• 镍氢电池：可充电电池，通常用于便携式电能、手机、便携式摄像机和其他便携式消费电子产品。
• 氧化银电池：不可充电电池，通常用于手表、照相设备、助听器和需要大容量电池的电子产品中。
• 锌空气电池：不可充电电池，通常用于助听器、医疗监控仪器、寻呼机。
• 燃料电池：燃料电池是将化学能直接转换成直流电压的装置。燃料电池由燃料（通常是氢气）和氧化剂（通常是氧气）构成。
• 太阳能电池：太阳能电池的工作基于光伏效应，即光能直接转化为电能。

直流发电机

发电机利用电磁感应原理把机械能转换成电能。导体在磁场中旋转，其上就会产生电压。

稳压电源

稳压电源将墙上插座中的交流电压转换成可以在一定范围内调节的直流电压。

热电偶

热电偶是一种热电式电压源，通常用于感知温度。两种不同金属的交界处就是一个热电偶，其工作原理基于塞贝克效应，该效应将金属交界处产生的电压描述为温度的函数。

压电传感器

这些传感器可看作电压源，其工作原理基于压电效应。当压电材料在外力作用下发生机械变形时就会产生电压，石英和陶瓷是两种常见的压电材料。

课后习题

（1）给出电压的定义。
答：电压是单位电荷具有的能量。
（2）电压的单位是什么？
答：电压的单位是伏特，用V表示。
（3）移动10C电荷所需的能量为24J，则对应的电压由多大？
答：$V=\frac{W}{Q}=V=\frac{24\mathrm{J}}{10\mathrm{C}}=2.4\mathrm{V}$
（4）说出6种电压源。
答：电池、燃料电池、太阳能电池、发电机、电子电源、热电偶。
（5）电池和燃料电池所共有的化学反应是什么？
答：氧化还原反应。