第4节 电压和电流
- 1. 概述
- 2. 理解电压的概念
- 3. 电压的定义
- 4. 发电电压
- 5. 电压源如何工作？
- 6. 了解电流的概念
- 7. 电压降的极性是什么？
- 8. 总结
- 9. 练习题（英文版）
- 10. 原文参考
- 11. 向导文章参考
- 12. 总目录
# 1. 概述
如前所述，在发生连续的电荷流动之前，我们需要的不仅仅是一条连续的路径（即电路）：我们还需要一些方法来推动电路周围的这些电荷载体。就像管子里的弹珠或管子里的水一样，开启流动需要某种力。对于电子，这种力与在静电中起作用的力相同：由电荷不平衡产生的力。如果我们以蜡和羊毛布摩擦为例，我们会发现蜡中的电子过剩（负电荷）和羊毛布中的电子不足（正电荷）造成它们之间的电荷不平衡。这种不平衡表现为两个物体之间的吸引力：
- Wax 蜡
- Attraction 吸引力
- Wool Cloth 羊毛布
如果一根导电导线被放置在带电的蜡和羊毛之间，电子就会流过导线，因为蜡中的一些多余电子会穿过导线返回羊毛，填补那里电子的不足:
- Electron Flow 电子流动
- Wire 电线/导线
蜡中的原子和羊毛布中的原子之间的电子不平衡在两种材料之间产生了一种力。由于没有电子从蜡流到羊毛布的路径，这种力所能做的就是将两个物体吸引在一起。然而，既然导体跨越了绝缘间隙，该力将促使电子以均匀的方向流过导线，即使只是暂时的，直到该区域的电荷中和并且蜡和羊毛布之间的力减小。通过将这两种材料摩擦在一起，在两种材料之间形成的电荷用于存储一定量的能量。这种能量与从低水位池塘抽取的高蓄水池中储存的能量没有什么不同:
- Energy Stored 储能
- Reservoir 蓄水池/水库
- Water Flow 水流
- Pump 水泵
- Pond 池塘
重力对蓄水池中的水的影响产生了试图将水再次向下移动到较低水位的力。如果合适的管道从水库流回池塘，水将在重力的影响下从水库流过管道：
- Energy Released 释放能量
将低水位池塘的水抽到高水位水库需要能量，水通过管道运动回到原来的水位，释放了之前抽水储存的能量。如果水被抽到更高的水位，将需要更多的能量，因此将储存更多的能量，如果允许水再次通过管道流回，则会释放更多的能量： (注：提升水位吸收能量，降低水位释放能量)
- More Energy Stored 更多的能量存储起来
- More Water Flow 更大的水流
电子与上述水的情况并没有太大的不同。如果我们将蜡和羊毛布摩擦在一起，我们会将电子“泵”离它们的正常“水平”，从而在蜡和羊毛布之间产生一种力，因为电子试图重新建立它们以前的位置（并在它们的内部的原子保持平衡）。将电子吸引回其原子正核周围的原始位置的力类似于重力对水库中的水施加的力，试图将其拉回原来的水平。正如将水泵送到更高的水平会导致能量被存储一样，“泵送”电子以产生电荷不平衡会导致一定量的能量存储在这种不平衡中。而且，正如提供一种让水从水库的高度向下流回的方式导致释放储存的能量一样，为电子提供一种流回其原始“水平”的方式会导致释放存储的能量。当电荷载体处于静止状态时（就像水静止不动，在水库中的高处），存储在那里的能量称为势能。
注：可以这样理解，地球就是原子，地球上下落的物体就是电子，原子对电子就犹如地球对其他物体有重力作用。
# 2. 理解电压的概念
当电荷载体处于静止状态时（就像水静止不动，在水库中的高处），存储在那里的能量称为势能，因为它具有尚未完全实现的释放的可能性（势能）。在一个干燥的日子里，当你把橡胶底的鞋子蹭到地毯上时，您会在自己和地毯之间造成电荷不平衡。擦脚的动作以不平衡电荷的形式储存能量，这些电荷会从原来的位置强制释放。这种电荷（静电）是静止的，你根本不会意识到能量正在被储存。但是，一旦您将手放在金属门把手上（具有大量电子迁移率以中和您的电荷），储存的能量将以电荷突然流过你的手的形式释放出来，你会感觉到它是一种电击！这种势能，以电荷不平衡的形式存储，能够激发电荷载体流过导体，可以表示为电压术语，从技术上讲，它是单位电荷势能的量度或物理学家会称为比势能。
# 3. 电压的定义
在静电的背景下定义，电压是衡量单位电荷从一个位置移动到另一个位置所需的工作量，与试图保持电荷平衡的力相对应。在电源的背景下，电压是每单位电荷可用的势能（要做的功），以使电荷通过导体。因为电压是势能的表达，代表能量释放的可能性或潜力，当电荷从一个“水平面”移动到另一个“水平面”时，它必须有两个参考点。考虑水库的类比：
- Drop 跌落
- Location #1 位置1
由于下落高度的不同，通过管道从储层释放到位置 2 的能量比位置 1 释放的能量要多得多。这个原理可以直观地理解为落下一块岩石：这会导致更多猛烈的撞击，一块石头从一英尺的高度掉下来，还是同样的石头从一英里的高度掉下来？显然，更高的高度下降会导致更多的能量释放（更猛烈的冲击）。我们不能仅仅通过测量水的体积来评估水库中储存的能量的数量，就像我们不能仅仅通过知道岩石的重量来预测坠落的岩石撞击的严重程度一样：在这两种情况下，我们还必须考虑多远这些质量将从它们的初始高度下降。质量下降所释放的能量与其起点和终点之间的距离有关。同样，可用于将电荷载体从一个点移动到另一个点的势能与这两个点有关。因此，电压总是表示为两点之间的量。有趣的是，质量可能从一个高度“下降”到另一个高度的类比是非常恰当的模型，以至于两点之间的电压有时被称为电压降。
# 4. 发电电压
除了将某些类型的材料相互摩擦之外，还可以通过其他方式产生电压。化学反应、辐射能和磁性对导体的影响是产生电压的几种方式。这三种电压源的相应示例是电池、太阳能电池和发电机（例如汽车引擎盖下的“交流发电机”单元）。目前，我们不会详细介绍这些电压源的工作原理——更重要的是我们了解如何应用电压源在电路中产生电荷流（电流）。让我们以化学电池的符号并逐步构建电路：（电压源是产生电压的设备、源头物体、物质)
- Battery 电池
# 5. 电压源如何工作？
任何电压源，包括电池，都至少有两个电接触点。在这种情况下，我们在上图中有点 1 和点 2。不同长度的水平线表明这是一个电池，它们进一步表明该电池的电压将试图推动电荷载体通过电路的方向。电池符号中的水平线看起来是分开的（因此无法用作充电流的路径）这一事实无需担心：在现实生活中，这些水平线代表浸入液体或半固体材料中的金属板它不仅可以传导电荷，还可以通过与极板的相互作用产生电压来推动它们前进。请注意电池符号左侧的小“+”和“-”符号。电池的负极 (-) 端始终是短划线的一端，而电池的正极 (+) 端始终是长划线的一端。电池的正极是试图将电荷载体推出电池的一端（请记住，按照惯例，我们认为电荷载体是带正电的，即使电子带负电）。同样，负端是试图吸引电荷载体的一端。由于电池的“+”和“-”端没有连接任何东西，这两点之间会有电压，但不会有电荷流过电池，因为没有连续的路径可以让载流子移动。
- Electric Battery 电池
- No Flow 不流动
- Water Analog 水路模拟/水路类比
- No Flow(once the reservoir has been completely filled) 不流动（一旦储液罐完全充满）
同样的原理也适用于蓄水池和泵的类比：如果没有返回池塘的回水管，蓄水池中储存的能量就不能以水流的形式释放出来。一旦储液罐完全装满，无论泵产生多少压力，都不会发生流动。需要有一条完整的路径（回路）让水从池塘流到水库，然后再流回池塘，以实现连续流动。我们可以通过将一根电线从电池的一端连接到另一端来为电池提供这样的路径。用一圈导线形成一个电路，我们将启动一个顺时针方向的连续电荷流：
- Electric Circuit 电路
- Charge Flow！电荷流
- Energy Analog 能量模拟
# 6. 了解电流的概念
只要电池继续产生电压并且电路的连续性没有中断，电荷载体就会继续在电路中流动。按照水流过管道的比喻，这种通过电路的连续、均匀的电荷流称为电流。只要电压源保持在同一方向上“推动”，电荷载体就会在电路中继续沿同一方向移动。这种单向流动的电流称为直流电(Direct Current, DC)。在本书系列的第二卷中，探讨了电流方向来回切换的电路：交流电(Alternating Current, AC）。但是现在，我们只关注直流电路。因为电流是由单独的电荷载体组成的，它们通过向前移动和推动电荷载体而一致地流过导体，就像弹珠通过管子或水通过管子一样，通过单个电路的流量是相同的。如果我们要监控单个电路中导线的横截面，计算流过的电荷载体，我们会注意到每单位时间的数量与电路的任何其他部分完全相同，无论导体长度或导体直径。如果我们在任何时候断开电路的连续性，电流将在整个回路中停止，电池产生的全电压将在断点处显现：
- Voltage Drop 电压降/电压差 (注 断开电路点的电压差=电池电压)
- No Flow 没有电流
- break 断开/中断
# 7. 电压降的极性是什么？
注意在电路断路末端绘制的“+”和“-”符号，以及它们与电池端子旁边的“+”和“-”符号的对应关系。这些标记指示电压试图推动电流的方向，即通常称为极性的电位方向。请记住，电压在两点之间始终是相对的。电压降的极性在两点之间也是相对的：电路中的一个点被标记为“+”还是“-”取决于它所引用的另一个点。看看下面的电路，其中环路的每个角落都标有一个数字以供参考：
当电路在点 2 和 3 之间断开时，点 2 和 3 之间下降的电压极性为点 2 的“+”和点 3 的“-”。电池的极性（1“+”和 4“-” ) 正试图将电流顺时针从 1 推到 2 到 3 到 4 并再次回到 1。现在让我们看看如果我们再次将点 2 和 3 重新连接在一起会发生什么（在点 3 和 4 之间的电路中放置一个断点)：
在 3 和 4 之间断开时，这两个点之间的电压降极性为 4 的“-”和 3 的“+”。特别要注意的是，第3点的“符号”与第一个例子中的相反，在第2点和第3点之间有一个中断(第3点被标记为“-”)。我们不可能说这个电路中的第 3 点总是“+”或“-”，因为极性，就像电压本身一样，不是特定于单个点，而是在两点之间,总是相对的！
# 8. 总结
- 电荷载体可以通过与静电现象相同的力促使其流过导体。
- 电压是两个位置之间特定势能（每单位电荷的势能）的量度。通俗地说，它是可用于“推动”电荷移动的措施。
- 电压作为势能的一种表达方式，在两个位置或点之间始终是相对的。有时它被称为电压降。
- 当电压源连接到电路时，电压将导致电荷载体均匀地流过该电路，称为电流。
- 在单个（一个回路，一个环，没有支路）电路中，任何点的电流量与其他点的电流量相同。
- 如果包含电压源的电路断开，则该电源的全电压将出现在断开点上。
- 电压降的 +/- 方向称为极性。它在两点之间也是相对的。
# 9. 练习题（英文版）
# 10. 原文参考
# 11. 向导文章参考
# 12. 总目录
一次校对：向导协作团队 --- 李坤 (opens new window)