论电压与电势

(以下观点纯属个人见解,欢迎拍砖)

什么是电压?

课本上说,电压是形成电流的原因。

也就是说,之所以有电流,是因为有电压的存在。

而且还将电压类比水压。

这个类比看似相当好。水压的存在,水管中的水才会流动;电压的存在,导体中的电荷才会定向移动。

当水管中的水从低处流向高处时,一定是水管低处的水压(水的压力)大于高处的水压。我们完全可以认为,导体中的电荷也是由“水压大”的地方向“水压小”的地方移动。

至此,我们好像理解了什么电压了。

但有几个问题还需要解决:

1、水管中的水流由于受到管壁的阻碍作用,水压会逐渐减小。那么,电压是否也会因导体中对电荷有阻碍作用也逐渐变小?

2、水压是一种力,电压是否也可以理解为一种力,一种推动电荷移动的力?

第一个问题,在串联电路中,有的地方对电荷阻碍大,有的地方对电荷阻碍小,但打脸的事实是,阻碍大的地方的两端(比如灯丝处)电压大,阻碍小的地方的两端(比如某段导线)电压小。也就是说,电压并没有随着阻碍而变大。

所以,将“电压”类比成“水压”显得非常不合理。

那么,有没有某个物理量适合类比为“水压”的呢?

有,这个物理量叫电势。

那么,什么是电势?

百度一下,电势的定义是这样的:在电场中,某点电荷的电势能跟它所带的电荷量(与正负有关,计算时将电势能和电荷的正负都带入即可判断该点电势大小及正负)之比,叫做这点的电势(也可称电位),通常用φ来表示

即使叫一个初二的同学来看这个定义,相信他即使看上百遍,仍不知道电势倒底指的是什么?

在这里,我不想从对电势的定义进行分解的角度来对电势进行理解,换一个更通俗的角度。

说白了,电势其实指的是电荷定向移动的趋势或可能性。当负电荷与正电荷之间的吸引力大,且又远,那么两种电荷互相定向移动的趋势就非常强烈,即电荷的电势越大。

所以,导体中某处电势大的说法,其实代表着在该处的电荷定向移动的趋势非常强烈。一旦电荷真的沿着被吸引的方向定向移动起来,离异种电荷越来越近时,电荷的定向移动的趋势反而是减弱的,当异种电荷互相接触中和后,电势为零。这就好像,两位好友相距很远,想见面的愿望将非常强烈,可是如果两人住在很近,想见面的愿望反而不会很强烈。

如果接受将电势理解为“定向移动的趋势”,我们就可以理解导体中负电荷在定向移动时,电势为什么是减小的。

比如,我们一起来分析原电池【原电池是由盐水(或者叫做电解质)和两个电极(一般是能导电的金属)组成的】原理,两电极与盐水之间发生化学反应,会造成某个电极上 聚集了多余的正电荷,另一个电极上聚集了多余的负电荷,我们将聚集多余正电荷的电极称为正极,另一个称为负极。当用导线把两极接通时,根据正负电荷相互吸引的作用规律,负极上的电子会立即沿着导线向正极移动。

不难推断,如果负极上在接通前聚集得负电荷越多,那么负极上的负电荷想接近正极上的正电荷的趋势就越强烈,我们就说此时负电极上的电荷的所具有电势大。当导线接通正负极的瞬间,负极上聚集的大量负电荷就会同时向正极定向移动而形成电流,当负电荷到达正极时,它的电势将变为零。所以,电势也会随着电荷的定向移动而逐渐减小。

在电势减小过程中,如果导体的阻碍是均匀的,那么电势的减小可以按导体的长度来均匀划分电势减小的幅度。但若连接正负极的导体的材料种类和粗细发生改变的话(比如铜导线之间加入一截更细的铅锑合金),那么电势的减小不再是按长度来划分了,只能阻碍程度的大小(即电阻大小)来划分了,最终会出现,电阻大的电势降低得更多。

所以,第一个问题“电压是否也会因导体对电荷有阻碍作用也逐渐减小”的答案应该是这样:电势会因为导体对电荷有阻碍作用而减小,阻碍越大,电势减小的越多,电势差就越大,即电压变大了。

于是,我们还可以推导出串联分压定律:串联电路中,电阻大(导体阻碍作用大)的用电器两端的电压大,电阻小的用电器两端的电压小。

通过对第一个问题的研究,我们发现,“电压”类比为“水压”并不合适,“电势”比成“水压”最为合适。

第二个问题,电压可否像水压一样,理解为一种力?

当水泵工作时,会对水额外产生了一个推力,这个推力就是水压。

我认为,电压真的不能理解成一种力,一种推动电荷移动的力。

个人觉得理由有二:

一是因为,水流是水分子群的运动,水分子群运动到哪,水分子群的机械能就在哪里?可是,电流并不像水流一样,并不是电荷运动到哪,电荷的能量就传输到哪。在导体中,电荷移动的速度或距离并不大,可是电能的传递却是以光速在导体中传播。可见,由于水分子群与电荷运动模式是不同的,传递能量的方式也是不同,这就是电压不能当成一种推力的原因之一。

二是因为,当负极上的负电荷沿着导线向正极移动时,负电荷与正电荷之间的距离越来越小,电荷间的吸引力反而会越来越大,或者说负电荷受到前进的推力越来越大,而不是像水压一样,随着水流的前进,水压越来越小。这是电压不能理解为力的原因之二。

如果电压不能理解为一种力,那么电压理解成什么事物呢?

前面其实已经做了解答,既然把电势看成“电荷定向移动的趋势”,电势差(即电压)当然看成“电荷定向移动的趋势的变化”。即电压越大,代表电荷定向的移动的趋势减弱了或增强了。

多说一句,“趋势”这个名词还可以用“能力”或“可能性”或“势能”。

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