电压和电流

如前所述，在连续的电荷流动发生之前，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这些电荷载流子绕过电路。就像管子里的弹珠或管子里的水一样，需要某种影响力才能开始流动。对于电子，这种力与在静电中起作用的力相同：电荷不平衡产生的力。以蜡和羊毛摩擦在一起的例子，我们发现蜡中电子过剩（负电荷）和羊毛中电子不足（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：

如果在带电的蜡和羊毛之间放置一根导线，电子就会流过它，因为蜡中的一些多余电子会冲过导线回到羊毛，填补那里的电子不足：

蜡中原子和羊毛中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之间的力减弱。通过将这两种材料摩擦在一起而在这两种材料之间形成的电荷用于存储一定量的能量。这种能量与储存在从较低水位池塘抽取的高水库中的能量没有什么不同：

重力对水库中的水的影响会产生一种力，试图将水再次向下移动到较低的水位。如果一条合适的管道从水库回到池塘，水会在重力的影响下从水库流下来，通过管道：

将水从低水位池泵到高水位水库需要能量，而水通过管道运动回到原来的水位，释放了先前泵送时储存的能量。如果水被抽到更高的水位，则需要更多的能量来这样做，因此会储存更多的能量，如果让水再次通过管道向下流动，则会释放更多的能量：

电子没有太大的不同。如果我们将蜡和羊毛摩擦在一起，我们会将电子从它们的正常“水平”“泵出”，从而在蜡和羊毛之间形成一种力存在的条件，因为电子试图重新建立它们以前的位置（并在它们的内部保持平衡）各自的原子）。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施加在水库中的水上的力，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储存一样，“泵送”电子以产生电荷不平衡会导致一定量的能量被储存在这种不平衡中。而且，正如提供一种让水从水库的高度向下流回的方式会导致储存能量的释放一样，提供一种让电子流回其原始“水平”的方式会导致储存能量的释放。当电荷载流子处于静止状态时（就像水静止不动，在水库的高处），储存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（潜力）。

了解电压的概念

当电荷载流子处于静止状态时（就像水静止不动，在水库的高处），储存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）。在干燥的日子里，当您将胶底鞋摩擦到织物地毯上时，您会在自己和地毯之间产生电荷不平衡。擦脚的动作以从原来位置强制产生的电荷不平衡的形式储存能量。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。然而，一旦你把手放在金属门把手上（有很多电子流动性来中和你的电荷），储存的能量就会以电荷突然流过你的手的形式释放出来，你会认为它是一个电击！这种势能以电荷不平衡的形式存储并能够促使电荷载流子流过导体，可以表示为一个术语，称为电压，从技术上讲，它是衡量每单位电荷的势能或物理学家会称为比势能。

电压的定义

在静电的背景下定义，电压是将单位电荷从一个位置移动到另一个位置所需的功的量度，与试图保持电荷平衡的力相反。在电源的背景下，电压是每单位电荷可用的势能（要做的功），通过导体移动电荷。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”移动到另一个“水平”时，它总是在两点之间参考。考虑水库类比：

由于落差的高度不同，从储层通过管道释放到位置 2 的能量比释放到位置 1 的能量要多得多。 下落岩石的原理可以直观地理解：这会导致更多的能量猛烈的撞击，一块石头从一英尺高的地方掉下来，还是同一块石头从一英里的高度掉下来？显然，更大的高度下降导致更大的能量释放（更猛烈的撞击）。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，就像我们可以仅仅通过了解岩石的重量来预测落石冲击的严重程度一样：在这两种情况下，我们还必须考虑如何远 这些质量将从它们的初始高度下降。允许质量下降所释放的能量与之间的距离有关 它的起点和终点。同样，可用于将电荷载流子从一个点移动到另一个点的势能与这两个点有关。因此，电压总是表示为之间的量 两点。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如此恰当的模型，以至于两点之间的电压有时被称为电压降 .

产生电压

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。这三种电压源的示例分别是电池、太阳能电池和发电机（例如汽车引擎盖下的“交流发电机”装置）。现在，我们不会详细介绍这些电压源中的每一个是如何工作的——更重要的是我们了解如何应用电压源来在电路中产生电荷流。让我们以化学电池的符号，一步步搭建电路：

电压源如何工作？

任何电压源，包括电池，都有两个电接触点。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流子通过电路的方向。电池符号中的水平线看起来是分开的（因此无法作为电荷流动的路径）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，还可以通过与板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 (-) 始终是划线最短的一端，电池的正极 (+) 端始终是划线最长的那一端。电池的正极是试图将电荷载流子推出的一端（请记住，按照惯例，我们认为电荷载流子带正电，即使电子带负电）。同样，负端是试图吸引电荷载流子的一端。由于电池的“+”和“-”端没有连接任何东西，这两个点之间会有电压，但是没有电荷流过电池，因为没有连续的路径可以让电荷载体移动。

同样的原理也适用于水库和水泵的类比：如果没有回水管返回池塘，水库中储存的能量就不能以水流的形式释放。一旦储液罐被完全填满，无论泵可能产生多大的压力，都不会发生流动。需要有一个完整的路径（回路）让水从池塘流到水库，然后回到池塘，以便连续流动。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：

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，电荷载流子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、均匀的电荷流被称为电流 .只要电压源保持向同一方向“推动”，电荷载流子就会继续在电路中向同一方向移动。这种单向的电流称为直流 ，或直流。在本系列丛书的第二卷中，探讨了电流方向来回切换的电路：交流电 ，或交流电。但是现在，我们只关心直流电路。因为电流是由单独的电荷载流子通过沿着导体移动并推动前面的电荷载流子一致流过导体组成的，就像弹珠通过管子或水通过管道一样，通过单个电路的流量将是相同的在任何时候。如果我们要监视单个电路中导线的横截面，计算流过的电荷载流子，我们会注意到单位时间内与电路的任何其他部分完全相同的数量，无论导体长度或导体直径。如果我们在任何时候破坏电路的连续性 ，电流将在整个回路中停止，电池产生的全电压将通过断开，在以前连接的导线端之间表现出来：

电压降的极性是什么？

请注意在电路断点末端绘制的“+”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，电压始终是两点之间的相对值。由于这个事实，电压降的极性在两点之间也是相对的：电路中的一个点是否被标记为“+”或“-”取决于它所引用的另一个点。看看下面的电路，每个循环的角都标有数字以供参考：

随着电路在2点和3点之间的连续性被破坏，点2和3之间电压下降的极性为点2的“+”和点3的“-”。 电池的极性（1“+”和4“-” ) 试图将电流从 1 到 2 到 3 到 4 顺时针通过循环，然后再回到 1。现在让我们看看如果我们再次将点 2 和 3 连接在一起会发生什么，但是在点 3 和 4 之间的电路中中断：

3和4之间的断点，这两个点之间的电压降的极性是“-”代表4，“+”代表3。 特别注意点3的“符号”与第一个相反例如，中断位于第 2 点和第 3 点之间（其中第 3 点标记为“-”）。我们不可能说这个电路中的点 3 总是“+”或“-”，因为极性，就像电压本身一样，不是特定于一个点的，而是始终相对于两点之间的！

评论：

• 可以通过与静电相同的力促使电荷载体流过导体。
• 电压是衡量两个位置之间比势能（每单位电荷的势能）的量度。通俗地说，它是可用于激励充电的“推动”措施。
• 电压作为势能的一种表达方式，始终是两个位置或点之间的相对关系。有时它被称为电压“降”。
• 当电压源连接到电路时，电压会导致电荷载流子均匀地流过该电路，称为电流 .
• 在单个（一个回路）电路中，任何一点的电流量与任何其他点的电流量相同。
• 如果包含电压源的电路发生故障，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 .它也是两点之间的相对关系。

相关工作表：

• 电压、电流和电阻工作表