電壓和電位關係式（電位電動勢電壓的單位都是伏特）

2023-10-22 10:39:07

電流、電壓、功率是電工學中最基本的物理量，也是電氣（工）從業必須學習的最基本、最基礎的電工基礎知識。在《電工基礎知識：電荷、電離、電路、電流和電流強度詳解，趕緊收藏》一文中分享了與電流相關的知識；在《電功率、有功功率、無功功率、視在功率，都是功率，有何異同呢？》一文中對與功率相關的知識進行了分享。

本文是與電壓相關的電位、電動勢、電壓知識詳解，值得收藏。後續將陸續分享電阻、電容、電抗、歐姆定律、焦耳定律......等電工學相關基礎知識，敬請留意和關注。

學過物理學的，都會知道刀：電位、電動勢、電壓的單位都是伏特，那麼如何分清它們的含義和區別？如果不去仔細深究，估計有很多人不一定說得清楚。

電荷為什麼會流動，成為電流？通過了解電壓與電動勢，就會揭開這個秘密，而要想了解電壓，首先得了解電位。

一、電位

1、定義

正電荷在電路中某點所具有的能量與電荷所帶電量的比稱為該點的電位。電位亦是指電路中的某點單位電荷所具有的能量。

如下圖所示，電流與水流相似：水流處於不同的位置就會有不同勢能或位能，水位越高，其勢能或位能就越高，水總是從高水位流向低水位；同樣，在外電路中，電流是從高電位流向低電位，說明電路中各點的能量不同，也也即具有一定的電位。

水路中各點在空間都有一個水位高度，水位是一個相對值，是相對於其基準點（或參考點）而言的，同理，電位也是一個相對值，是相對於其參考點（零電位點）而言的，電路中各點也都有一個電位。水路中各點的水位高度計算都有一個起點，稱為參考點，例如，以海平面為起點的海拔高度其參考點就是海平面，同樣，電路中的電位也要有一個參考點，稱為零電位點。如同水位高度相對於不同參考點有不同數值一樣，電位相對於不同的零電位點，其數值也不相同，可見電位和水位都具有相對性。

零電位的選擇具有任意性，通常為了實際測量方便起見，在實際電路中，參考點通常選為大地、電器的底板、金屬外殼或某一個公共連接點，該點的電位φA=0，零電位點又稱接地點，高於參考點的電位為正，反之為負。

2、單位

電位也稱電勢，單位是伏特（V、簡稱伏），用符號「φ」表示，常用的單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）。

1kV＝1000V；

1V＝1000mV。

3、舉例

舉例1：

下圖是由電池、三個阻值相同的電阻和開關構成的電路模型（電位的原理）。電路以A點作為參考點，A點的電位為0V（即φA=0V），則B點的電位為0.5V（即φB=0.5V），C點的電位為1V（即φC=1V），D點的電位為1.5V（即φD=1.5V）。

舉例2：

下圖為以B點為參考點，B點的電位為0V（即φB=0V），則A點的電位為-0.5V（即φA=-0.5V），C點的電位為0.5V（即φC=0.5V），D點的電位為1V（即φD=1V）。

上圖中，若以C點為參考點，C點的電位即為0V（即φC=0V），則A點的電位為-1V（即φA=-1V），B點的電位為-0.5V（即φB=-0.5V），D點的電位為0.5V（即φD=0.5V）。若以D點為參考點，D點的電位為0V（即φD=0V），則A點的電位為-1.5V（即φA=-1.5V），B點的電位為-1V（即φB=-1V），C點的電位為-0.5V（即φC=-0.5V）。

二、電動勢

1、定義

電動勢是表示單位正電荷經電源內部，從負極移動到正極所做的功，其標誌著電源將其他形式的能量轉換成電路的動力，即電源供應電路的能力。

要想得到持續的電流，離不開電源，電源具有電動勢。或者說，電源內部非靜電力移送單位正電荷，將其從電源的負極移至正極所做的功，叫電源的電動勢。電源是個特殊的設備，它的作用就是利用電源中的化學能、光能、機械能等其它能源轉換成「電源力」。

下圖中的這臺超級「水泵」就類似於電動勢，將水從A抽到B；而電池將化學能轉化為電能，即電源力，努力做功將「正電荷」使勁往「正極」抽，而這個功就是電動勢（也稱為電源電動勢）。

電動勢方向指電位升高的方向。在電源內部，由低電位端指向高電位端，即由電源負極指向電源正極。

2、單位

電動勢是描述電源性質的重要物理量，它反映電源把其他形式的能轉換成電能的本領的物理量，用字母「E」表示，單位為「V」（伏特，簡稱伏），其他常用的單位有kV（千伏）、mV（毫伏）、μV（微伏）。

1kV＝1000V；

1V＝1000mV；

1mV=1000μV。

3、電動勢計算公式

電動勢用公式表示，即：

E=W/Q

式中，

E為電動勢，單位為伏特（V）；

W為將正電荷經電源內部從負極引到正極所做的功，單位為焦耳（J）；

Q為移動的正電荷數量，單位為庫侖（C）。

4、舉例

下圖為由電池、開關、可變電阻器構成的電路模型。

在閉合電路中，電動勢是維持電流流動的電學量，電動勢的方向規定為經電源內部，從電源的負極指向電源的正極。

電動勢等於路端電壓與內電壓之和，用公式表示為：

E=U路 U內=IR Ir

式中：

U路：表示路端電壓（即電源加在外電路端的電壓）；

U內：表示內電壓（即電池因內阻自行消耗的電壓）；

I：表示閉合電路的電流；

R：表示外電路總電阻（簡稱外阻）；

r：表示電源的內阻。

對於確定的電源來說，電動勢E和內阻r都是一定的。若閉合電路中外電阻R增大，電流I便會減小，內電壓U內減小，故路端電壓U路增大。

若閉合電路中外電阻R減小，電流便會增大，內電壓U內增大，故路端電壓U路減小。

當外電路斷開，外電阻R無限大，電流I便會為零，內電壓U內也變為零，此時U路端電壓就等於電源的電動勢。

三、電壓

1、定義

在電路中任意兩點間的電位之差稱為兩點間的電壓，即高電位與低電位之間的差值。

電壓的物理意義是電場力對電荷所做的功。

電路中某點的電壓，就是指該點與參考點之間的電位差。一般來講，在電力工程中，規定以大地作為參考點，認為大地的電位等於零。如果沒有特別說明，所謂某點的電壓，就是指該點與大地之間的電壓。

正如水位差帶來的水壓導致水流一樣，水壓越大，水流越急，反之水壓越小，水流越緩；電壓與水壓相似，電壓是形成電流的必要條件之一，電壓越高燈泡就越亮，電壓越低燈泡越暗。電路中提供電壓的器件是電源。

2、單位

電壓的符號為U，在國際單位制中，電壓的單位是伏特（V），此外還有千伏（kV）、兆伏（MV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等。

它們之間的關係為：

1MV=1000kV;

1kV＝1000V;

1V＝1000mV;

1mV=1000μV。

3、舉例

下圖為由電池、兩個阻值相等的電阻器和開關構成的電路模型。

四、電動勢與電位、電壓的異同

電動勢與電位、電壓相同之處在於：

它們都是表示電場做功能力的物理量。

電動勢與電位、電壓其區別在於：

1、電動勢與電位、電壓電動勢和電位、電壓各自表達的物理意義不同。

電動勢表示了外力（非電場力）做功的能力；

電位表示的是電路中某點單位電荷所具有的能量，即電路中某點電場做功的能力；

電壓則表示的是電路中任意兩點之間單位電荷所具有的能量差值，即電路中兩點之間電場做功能力的差值。

例如：新電池做功能力很強，其電能充足，但長時間使用後，其做功的能力會大大下降，這時電位、電壓也低了。電動勢是產生和維持電路中電壓的保證，電源的電動勢一旦耗盡，電路就會失去電壓，就不再有電流產生。

2、電動勢只存在於電源的內部，而電位、電壓存在於電源外部，電位可以是電源外部中電路中的任意一點，而電源外部電路任意兩點之間。

3、它們的方向不同。電動勢有方向，在電源的內部，電動勢方向與電壓方向相反，電動勢方向是電位升高的方向；電位的方向指向參考點，可以為正、可以為負；而電壓方向是指向電位降低的方向。

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自我介紹

我是資深電工老吳，紮根行業四十餘年，專注工程設計，涉足電力、冶金、建築、市政、礦山、輕工等領域的發電、變電、配電、新能源、電氣及自動化等工程，喜歡分享工作、生活，分享一切快樂與美好。

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