【种花家务·物理】3-2-06电源·电动势『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第二章直流电
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】
§2-6电源·电动势
1、电源
【01】要在导体里维持稳恒电流，就必须在导体的两端维持稳恒的电势差，也就是说必须要有电源。
【02】电源的种类很多，经常使用的有电池和发电机两种。它们的构造和工作原理，以后还要讨论。在这一节里，我们着重讨论一切电源的共同特性。
【03】一切电源都是用导电材料制成的，并且都有两个叫做极的导电固体。一个极的电势较高，叫做正极；另一个电势较低，叫做负极。使用电源时，只要把一个导体或一个导体组的两端和两极接连在一起，就可以得到直流电流。图2·30和图2·31分别表示用电池或发电机作为电源的简单电路。
【04】电荷周流的整个电路，从电源的正极出发回到电源的正极为止，叫做全电路。电源本身也是电路的一个部分；这部分电路，从电源的负极出发通过电源的内部到达电源的正极为止，叫做内电路。电源以外的那一部分电路叫做外电路。
【05】在外电路上，形成电流的实质是自由电子从电源的负极流向正极。但是在习惯上，总把它说成是正电荷从电源的正极流向负极，或者说成是电流从电源的正极流向负极。
【06】在电源的内部，电荷的实际流动情况与电源的种类有关。在发电机里，那就是自由电子从正极流向负极；在电池里，那就是正离子和负离子分别向两极流动。但在习惯上，不管其内部实际情况怎样，总把它说成是正电荷从负极流向正极，或者说成是电流从负极流向正极。
【07】在外电路上，电流从高电势的正极流向低电势的负极，也就是正电荷顺着电场的方向移动；此时，电场力作正功，电势能转换成别种形式的能（例如导体的内能）。在内电路上，电流从低电势的负极流向高电势的正极，也就是正电荷逆着电场的方向移动；此时，电场力作负功，别种形式的能转换成电势能。所以我们可以说：电源是把别种形式的能转换成电能的装置。
【08】电池是把化学能转换成电能的装置。发电机是把机械能转换成电能的装置。此外还有把光能转换成电能的光电池，把物质内能转换成电能的热电偶等等。
2、电动势
【09】我们已经知道，电源可以看做是把正电荷从负极搬运到正极的装置（或把负电荷从正极搬运到负极的装置），也可以看做是把别种形式的能转换成电能的装置。但是，电源的这种性能是怎样发挥作用的呢？这种性能的强弱是用什么来量度的呢？这就是我们现在所要讨论的问题。
【10】在一切电源里，都存在着一种抵抗电荷间相互作用的力。电荷间相互作用的力叫做静电力；抵抗电荷间相互作用的力称作为电源力，电源力是非静电力。在不同种类的电源里，电源力的性质和起因都不同。例如在电池里，这种非静电力就叫做化学力，起因于金属和酸溶液之间的化学反应。
【11】图2·32所示的是一个电源示意图。A 和 B 是电源的两个极，开始时它们都是中性的。由于电源力的作用，正电荷从 B 极脱出，移至 A 极（或说负电荷从 A 极脱出，移至 B 极），使两极分别带等量的异种电荷，从而在电源内部建立了电场。这样建立起来的电场阻碍电荷继续迁移。但在两极之间的电势差达到一定限度之前，由于电源力大于电场力，所以正电荷要继续从 B 极迁向 A 极。直到两极间的电势差达到一定的限值 E 时，电源力和电场力平衡，电荷才停止定向迁移。这时两极所带电荷的电量和两极间的电势差都不再增加。
【12】电源两极间电势差的限值 E 就叫做电源的电动势。
【13】电动势的大小单独为电源自身的条件所决定，与电源以外的电路情况无关。不同结构的电源一般具有不同大小的电动势；一定的电源具有一定的电动势。电源的电动势可以用来表示电源具有把正电荷从负极移向正极的性能。
【14】在电源内部，电荷移动的过程就是电源力作功的过程。在这个过程中，电源的能（如化学能、机械能、光能等）转换成电势能；转换能量的多少就等于电源力所作的功。把正电荷 q 从电源的负极搬运到正极，电势能的增量 。
【15】这就是说，在电荷 q 从负极迁移到正极的过程中，有大小等于 qE 的别种形式的能转换成电势能，也就是说，电源力作了 qE 的功。把上面的等式变成 ，我们就可以说：电源的电动势等于电源力在迁移电荷时所作的功跟被迁移的电量的比值。
【16】电源的电动势还可以用来表示电源具有把别种形式的能转换成电能的性能。
3、路端电压
【17】只有在外电路没有接通时，即断路时，电场力和电源力才能处于平衡状态，电源两极间的电势差才能达到它的最大限值 E 。所以我们说：在外电路断开时，电源两极间的电势差等于电源的电动势。
【18】如果用导线把外电路接通，使整个电路成为闭合电路，那么正电荷就要从电源的正极经过外电路流向负极，形成电流。此时，电源两极所带电荷的电量要比断路时少一些，因而两极间的电势差也不再等于电动势 E，而是减小到另一数值 V 。电势差的减小就是表示电场的削弱，也就是电场力不再与电源力相平衡。于是，电源内部重新出现了正电荷从负极向正极迁移的现象。
【19】在外电路上，电场力对电荷的迁移起推动作用，两极间电势差越小电流强度也越小；在内电路上，电场力对电荷的迁移起阻碍作用，两极间电势差越小电流强度反而越大。在外电路开始接通的那一时刻，两极间电势差最大，等于电动势 E ，此时外电路上的电流强度最大，内电路上的电流强度为零。这是一个不稳定的状态。随着两极间电势差的减小，外电路上的电流强度逐渐减小，内电路上的电流强度逐渐增大。最后，等到两极间电势差减小到一定的大小 V 时，内外电路上的电流强度相等，这时才算建立了稳恒状态。所以我们说：在闭合电路里有稳恒电流存在时，电源两极间的电势差总小于电源的电动势。
【20】从接通电路到建立稳恒状态，所经历的时间极短，完全可以看做是瞬时变化。如果我们用伏特计和外电路并联，接在电源的两极之间，只能观察到稳恒状态的极间电势差 V，不能观察到从 E 减小到 V 的迅速变化过程。
【21】在闭合电路里，电源两极间的电势差又叫做路端电压（也叫做端电压），它的意思就是：从外电路的一端到另一端的电压。
【22】严格地说，电源的电动势只能用静电计来测量，而不能用伏特计来测量。当电源的两极和静电计连接时，外电路并未接通，所以测得的电势差等于电动势（断路时的端电压等于电源的电动势）。当电源的两极和伏特计连接时，不管有没有别的导体和伏特计并联，伏特计本身就已经成为一个接通了的外电路，所以测得的路端电压不等于电源的电动势，而是比电动势来得小一些。
【23】在实际应用中，我们常用电阻很大的伏特计来测量电源的电动势（测得的结果当然只是近似的正确），其理由将在下一节里加以讨论。
