电压及其测量

观察与思考

图2－3－1　小灯泡电路

做如图2－3－1所示的实验，在小灯泡安全使用范围内分别用完全相同的两节1．5V电池串联后供电和其中一节1．5V电池供电。发现小灯泡的亮度不一样，你知道这是为什么吗？两节电池提供的电压比一节电池提供的电压高，什么是电压？电压的大小和方向又是如何定义的呢？

一、电压的大小和方向

1．电压的大小

如图2－3－2所示，电源的正极标为A端，电源负极标为B端，电源两端存在着一定的电压（电位差）UAB。电路接通时，正电荷在电场力的作用下，从高电位A端通过负载移向低电位B端，从而形成电路中的电流I，在这个过程中，电场力要做工，而电压是衡量电场力做功本领大小的物理量。

图2－3－2　电路中电场力做功示意图

A、B两点间的电压UAB在数值上等于电场力把正电荷由B、A点移到B点所做的功WAB与被移动电荷的电荷量qC、的比值。可定义为：

在国际单位制中，电压的单位是伏特，简称伏，符号是V。电压常用单位还有kV（千伏）、mV（毫伏），它们之间的关系是：

1kV＝103　V＝106　mV

2．电压的方向

规定电压的方向由高电位指向低电位，即电位降低的方向。因此，电压也常被称为电压降。电压的方向可以用高电位标“＋”，低电位标“－”来表示，如图2－3－3所示。

图2－3－3　电压方向的表示

如果UAB＞0，说明A点电位比B点电位高；如果UAB＝0，说明A点电位与B点电位相等；如果UAB＜0，说明A点电位比B点电位低。

二、电位

1．电位

描述电路中某点电位的高低，首先要确定一个基准点，这个基准点称为参考点，规定参考点的电位为零。原则上参考点是可以任意选定的，但习惯上通常选择大地为参考点，在实际线路中选择公共点或机壳作为参考点。

电路中某点的电位就是该点与参考点之间的电压，用字母V表示。在国际单位制中，电位的单位也是伏［特］。规定参考点的电位为零。一个电路中只能选择一个参考点，否则无法比较各点的电位。

图2－3－4　部分电路示意图

如图2－3－4所示：若假设O点为参考点，则VO＝0；A、B、C各点的电位就是各点与O点之间的电压，可表示为：VA＝UAO，VB＝UBO，VC＝UCO。

想一想，做一做

若以B点为参考点，则A、C、O各点的电位与B点之间的关系又该如何表示呢？

2．电压与电位的关系

电压就是两点间的电位差。在电路中，A、B两点间的电压等于A、B两点间的电位之差，即

UAB＝VA－VB

三、电源电动势与端电压

1．电源电动势

图2－3－5所示为常用电池实物图，电池上标着“3．7V”和“1．2V”分别指锂电池的电动势是3．7V，镍镉电池的电动势为1．2V。那么，什么是电动势呢？电动势的大小又是如何定义的呢？

图2－3－5　常用电池电动势的标注

电源外部，在电场力作用下正电荷从正极（高电位）通过负载移动到电源的负极（低电位），与负极板上的负电荷中和，这样正、负电荷数会渐渐减少。为了使电源正、负极板上聚集的电荷数保持不变，在电源内部必须要有一种外力把正电荷从电源的负极（低电位）移动到电源的正极（高电位），这种外力称为电源力。因此，在电源内部，电源力不断地把正电荷从低电位移到高电位，把其他形式的能转换成电能，使电源两端的正、负电荷数即电压保持不变。

对于不同的电源，电源力做功的性质和大小不同，衡量电源力做功本领大小的物理量称为电源的电动势，用字母E表示，单位是V（伏［特］）。电动势的大小等于电源力把正电荷从电源负极移动到电源正极，克服电场力所做的功W，与被移动的电荷量Q的比值。其定义式为：

2．电源端电压与电动势的关系

电源两端存在的电压称为电源的端电压，用U表示。当电源开路时，电源的端电压U在数值上等于电源的电动势E，即U＝E。当电源工作时，电源的端电压U在数值上小于电源的电动势E，即U＜E。

说明：因为实际的电源内部总是存在着一定的内阻。当电源开路时，电路中没有电流，内阻上就没有电压降，则电源两端电压就等于电源的电动势；当电源工作时。其内阻上就会有电流流过，内阻上就有一定的电压降，则电源的端电压就等于电源的电动势与内阻上的电压降之差，故U＜E。

四、电压的测量

1．电压表在电路中的接线

测量直流电压一般用直流电压表，电路接线如图2－3－6。在实际应用中，通常用万用表的电流电压档代替电压表进行测量。

2．万用表测直流电压接线实例

图2－3－6　测量直流电压时电压表接线电路图

具体测量方法详见实训模块三。