电源中的能量转变问题

从能量转化的观点看，各种形式的电源都是把其它形式的能转化为电能的装置。

在图 4－1 所示电路中，虚线内 A、B 是电源的极板，R 是用电器。当开关 K 断开时，在电源的极板 A、B 上分别堆积着一定量的正、负电荷，从而形成一定的电势差。当 K 闭合时，外电路导体中即形成电场，在电场力作用下，正电荷（这里只讨论正电荷）沿外电路的导体从电势高的正极向电势低的负极运动。为了在电路中获得一个持续的稳恒电流，在电源内部， 必须能持续不断地把正电荷逆着电源内部的电场方向，从电势较低的负极向电势较高的正极运送。显然，正电荷逆着电场方向运动必定要受到电场力以外的其它形式的力作用，这些力统称为非静电力。电源就是能够提供非静电力的装置。不同类型的电源，形成非静电力的机理不同。化学电池中的非静电力来自正负极板物质与电解质的化学作用；发电机中的非静电力来自电磁感应作用。

非静电力在正负极间搬运电荷要克服电场力做功，电荷的电势能增加，并且增加的电势能就等于非静电力克服电场力所做的功，所以非静电力搬运电荷的过程，实质上是其它形式的能转化为电能的过程；电源在向电路供电的过程中，电场力做正功，电荷的电势能减少，并且减少的电势能就等于电场力做的功。所以电场力移动电荷的过程，实质上是电能转化为其它形式能的过程。

设电源非静电力将正电荷 q 从电源负极经电源内部搬运到正极做的功为 W，则搬运 2q、3q、⋯⋯所做的功分别为 2W、3W、⋯⋯，比值 W／q＝2W

／2q＝3W／3q＝⋯⋯，对于一个电源来讲是一个恒量。可见，比值 W／q 反映了电源的特性。定义为电源的电动势：

W

ε = 非

q

电动势ε越大，表示移送相同电荷时非静电力做的功越多，也即电源把其它形式的能转化为电能的本领越大。电动势反映了电源转换能量的特性，它在数值上等于电路中通过 1 库仑电量时电源所提供的能量。设某电源的电动势为ε，内电阻为 r，当电路中通过 q 库仑电量时，电源所提供总的电能 E＝qε，总功率 P0＝Iε；由于电源都有一定的内阻，电流通过时将有一部分电能转化为热能，这部分功率为 P＇＝I2r；电源向外电路输出的电功率 P＝IU（U 为路端电压）。根据能量转化与守恒定律，应有：

P0=P′＋P=I2r＋IU

电源向外电路提供电能的效率：

η= P = U

P0 ε