電壓的存在應該是有電場這個條件的,那斷路時不存在電場,怎麼會有電壓呢?


題主這個問題再次引起電氣工程師們的討論了。一位售後服務工程師在回答客戶的問題時,對方提出這個知乎問題,這位售後服務不知該怎麼回答,就問他的同事,大家討論紛紛,但總覺得不踏實,就用郵件把這個問題發給我了。

莫非,這個問題的題主就是這位客戶?我直接在知乎中回答吧。

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我們看下圖:

圖1:問題示意圖

我們先看圖1的1圖。圖中有電源E,有兩隻電阻R1和R2。電阻R1和R2上的電壓分別為:

[公式][公式]

我們來設想一下,當R1=0.000001R2時,我們有: [公式] ,幾乎就等於零。

當R1=R2時, [公式]

當R1=10000R2時, [公式] ,幾乎佔掉了電源電動勢E的全部。

我們再看圖1的2圖:圖中把電阻R1用開關K來替代。

當開關閉合時,它的電阻其實就是觸頭間的接觸電阻,阻值非常小,一般在10微歐左右。由前面的表述我們知道,此時開關K兩端的電壓降幾乎就等於零。

現在我們把開關K打開,開關觸頭之間的電阻非常大。當然,此電阻不是無窮大,儘管不是無窮大,但也足以使得開關兩端的電壓降幾乎就等於電源電動勢E。

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我們再看題主的問題:

為什麼斷路的路端兩處有電壓?電壓的存在應該是有電場這個條件的,那斷路時不存在電場,怎麼會有電壓呢?

回答:

1.當電路發生開路(斷路)時,開路點等效於圖1中的2圖開關斷開,此時開路點兩側的電壓就等於電源電動勢。

2.電壓和電場不是同一個概念。我們設開路點兩端的電壓是U,開路點之間的距離是d,則開路點之間的電場強度是 [公式] ,所以電場強度的單位是V/m。

可見,題主把電壓與電場強度給弄混了。

在開路瞬間,開路點之間的距離非常小,此時開路點之間的電場強度很大,導體材料中的電子會被拉出,形成電流。如果電壓超過10到20V,電流超過0.2A,則開路點之間的空氣會被擊穿併產生電弧。隨著開距加大,電場強度也降低,如果滿足電弧熄滅條件則電弧立刻熄滅。電弧熄滅後,開路點之間的電壓為電源電動勢E。

另外,題主說斷路(開路)時不存在電場,顯然是錯誤的。

3.感覺題主把電源電動勢與電場強度也混淆了。若確實如此,請題主自己去閱讀相關書籍,把問題弄清楚才好。


因為斷路兩端的電勢不相等,所以斷路兩端就會有電壓了!

舉個簡單的例子:一個5V的理想電壓源串聯兩個阻值都為1kΩ的負載R1、R2,當電路完好時,每個電阻兩端的電壓為2.5V,這很容易理解吧,當R1斷路時,測量R1兩端的電壓就變為5V(電源電壓),R2兩端的電壓為0V。


從電磁場的角度分析電路問題,自己不是很專業,一般還是直接基於KCL、KVL和元器件的特性直接對電路進行分析。所以,以下想法僅供參考。

以電容器為例,電容器具有隔斷直流的作用,應該可以滿足這裡所說的斷路的條件吧。但是,電容儲存電荷之後,兩端產生電壓,將此電容從電路中完全斷開,其兩端電壓差在沒有漏電流的情況下會保持住。很明顯的,此時電容器內部是有電場的,而且電容器的能量就是存在於這個電場中的。


白話文:一個電子擁有的電勢能是一個很抽象的東西,可以將它想像成一顆石子在高空具有重力勢能,那麼我把石子托住,石子對我的手會有向下的壓力,類比到電上面那就是電壓了,開路的導線兩端有電壓,就不難理解了。

拓展:如果這個石子越來越重,我拿不動了,石子就掉下去了,可以類比的解釋為電壓過大導致空氣被擊穿

我的理解,電壓就是一個電子所帶的電勢能。


電壓的存在是因為有電勢差。

斷線的兩端假設都接了同電壓(對地電勢)的電源,兩端電勢相等,就不會有電壓,如果兩端電勢不相等,就會有電勢差,從而就有電壓。


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