什麼是電壓?電工基礎入門學習

電壓(voltage),也稱作電勢差或電位差,是衡量單位電荷在靜電場中由於電勢不同所產生的能量差的物理量。

其大小等於單位正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所做的功,電壓的方向規定為從高電位指向低電位的方向。

電壓的國際單位制為伏特(V,簡稱伏),常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念與水位高低所造成的“水壓”相似。需要指出的是,“電壓”一詞一般只用於電路當中,“電勢差”和“電位差”則普遍應用於一切電現象當中。

任何用電器、電件在通過電流時,在其兩端均存在電壓。

電壓是電路中形成電流的原因,是驅動電路中的電荷發生定向運動的原因,而電源的作用是為用電器兩端提供電壓。

通俗理解:

  一:引出問題

  電荷定向移動形成電流,那麼電荷為什麼能定向移動呢?肯定有一個類似“推力”東西在起作用。(這樣提問,讓學生能理解電壓是形成電流的原因,電壓是原因,電流是結果)

  二:用水壓類比

  在黑板上畫出兩個水位不同的水槽A、B,A水位高,B水位低。從A槽畫出一水管經過閥門和水輪機,回到B槽。

  當閥門關閉時,水管中有水,但不流動,因此沒有水流;當閥門打開時,在水壓的作用下,水管中的水發生定向移動形了水流,從B槽流向B槽,推動水輪機轉動。

  重點解釋水壓是怎麼形成的:由於AB有水位差⊿h,則水對B槽管口壓力比水對B槽管口壓力大,兩者之間產生壓力差,即⊿P=ρg⊿h,這個壓力差就是水壓。所以,我們可以得出下面一個關係圖:

  水位差→水壓→水發生定向移動→水流

  提出一個問題:過一會兒水會流完的,到AB兩邊水位相平時,即水位差消失時,水壓沒有了,於水流就停止了。那麼,我們如何讓水流持續呢?(大家思考並回答)

  我們可以在AB兩個槽之間裝一個抽水機,通過它不斷地將B槽中的水抽到A槽,使A槽中的水始終比B槽中水位高,於是水壓始終存在,水流就可以持續了。因此,抽水機是提供水壓的將裝置。於是,我們又可以完善下面的關係圖:

  抽水機→水位差→水壓→水發生定向移動→水流

  我們可以得出兩個結論:

  1.水壓是形成水流的原因;

  2.抽水機是提供水壓的裝置。

  三:再用類比解釋電壓的作用和形成

  通過上面水壓的講解,對電壓的理解應該水到渠成。

  在黑板上畫一個類似水管的電路,其中A端聚集正電荷,B端聚負電荷。電路從A端經過開關和電燈,回到B端。(AB兩端暫時不畫上電源)

  當開關閉合時,電路中有電荷,但沒有定向移動,即沒有電流。當開關閉合時,在電壓作用下,推動電路中的電荷定向移動形成了電流,電燈亮。

  重點解解釋電壓是怎麼形成的:由於A端聚正電荷,A端電位就高(圖中可以把正電荷的符號畫在A的上方),B端聚集負電荷,B端電位就低(把負電荷的符號畫在B端的下方,學生通過水位類比,能夠接受“電位”)。於是,AB兩端就存在電位差,對A端的“壓力”大於對B端的“壓力”,出現“壓力差”,這個“壓力差”,就叫做電壓。進一步補充說明:我們還可以通過電荷間的相互吸引,也可近似地解釋電壓的產生。我們可以得到下面的關係圖:

  電位差→電壓→電荷發生定向移動→電流

  提出一個問題:過一會兒電流會停止,因為AB兩端正負電荷中和,電位相平,電壓消失。要讓電流持續在,就必須讓電壓持續存在。怎樣讓電壓持續存在呢?(學員思考並回答)

  我們可以在AB兩端裝上電源(抽水機),電源可以在A端不斷聚集正電荷,在B端聚集負電荷,就像抽水機一樣,於是電壓就可以持續存在了。因此,電源是提供電壓的裝置。

  再提出一個問題:電源為什麼能夠提供電壓?以乾電池為例解釋。

  我們可以在黑板上畫出乾電池的結構示意圖(圖:體現有金屬帽的碳棒、鋅筒、化學藥品)。金屬鋅與化學藥品發生化學反應,生成新物質,在反應過程中,將正電荷聚集在碳棒上,就是電源的正極;將負電荷聚集在鋅筒上,整個鋅筒就是負極,從而使電源兩極存在電壓。同理,發電機也是一樣,只發電機把正負電荷分開是靠機械作用實現的。可以叫學生記錄下面一段話:

  電源內部通過某種作用,將正電荷聚集在正極上,負電荷聚集在負極上,使兩極之間產生電壓。化學電池是通過化學作用將正負電荷分開的,化學能轉化為電能;摩擦起電和發電機是通過機械作用,將正負電荷分開的,機械能轉化為電能。

  我們可得出下面一個關係圖:

  電源→電位差→電壓→電荷發生定向移動→電流

  我們可總結出下面兩個結論:

  1.電壓是形成電流的原因;

  2.電源是提供電壓的裝置。

  四.補充

  對於電壓的講解,只能以類比的方式,以清析的思維,與大家互動。我覺得應該注意下面的幾個問題:

  1.既是類比,我們在語言表述過程中,對關鍵環節多用“相當於”“類似於”等字眼,切不可說“就是”等等確切的字眼。

  2.注意與高中知識的接軌,這裡提出“電位”的概念,雖然不是很科學,但可以讓電工入門對電位電壓差有一個感性的初步認識。

 

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以上純屬個人見解,如有不正確地方歡迎指正。

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