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电动势是电源的基本特性,表示电源将其他形式能量转换为电能的能力。它等于单位电荷在电源内部从负极移动到正极时,电源所做的功。电动势的单位是伏特。需要注意的是,电动势不等于电压。电动势是电源的固有特性,而电压是电路中某两点间的电势差,会随电路状态变化。在电池内部,化学反应使正负离子分离,在两极间建立电势差,这就是电动势的物理本质。
电源内阻是电流通过电源内部时遇到的各种阻碍的总和。主要包括四个方面:首先是电解质中离子迁移时的阻力,离子在溶液中运动会与其他离子和溶剂分子发生碰撞;其次是电极反应的动力学阻力,化学反应需要时间,存在反应速率限制;第三是电极材料本身的电阻;最后是各部件间的接触电阻。这些阻力使得电源的端电压总是小于电动势,差值就是内阻上的电压降。
电阻分压是电路中的基本现象,基于欧姆定律。当电流通过串联电阻时,电压按阻值比例分配。每个电阻上的电压等于该电阻与总电阻的比值乘以总电压。在微观层面,电子在导体中运动时会与晶格原子发生碰撞,将动能转化为热能,这就是电阻消耗电能的物理本质。不同阻值的电阻对电子运动的阻碍程度不同,因此分得的电压也不同。
完整的电路分析需要考虑电动势、内阻和外阻的综合作用。根据欧姆定律,电路中的电流等于电动势除以总电阻。电源的端电压等于电动势减去内阻上的电压降,也等于外阻上的电压。当负载电阻变化时,电流和各部分电压都会相应变化。在短路情况下,外阻为零,电流达到最大值;在开路情况下,电流为零,端电压等于电动势。这种分析方法帮助我们理解电路的动态行为。
通过具体的数值计算,我们可以深入理解电路的实际性能。以电动势12伏、内阻2欧的电源为例,当负载电阻为4欧时,电流为2安培,端电压为8伏,负载功率为16瓦。电源效率等于负载电阻与总电阻的比值。根据最大功率传输定理,当负载电阻等于内阻时,负载获得最大功率。随着电池的使用,其内阻会逐渐增大,端电压会下降,这就是电池放电曲线的物理基础。