中心主题：电压
基本概念
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1 定义
- 物理本质: 电路中自由电荷定向移动形成电流的原因。
- 能量角度: 描述电路中单位电荷所具有的电势能，是衡量电势能高差的物理量。
- 通俗比喻:
- 水压: 类似于水管两端的水压差，是驱动水流的原因。
- 高度差: 类似于瀑布两端的高度差，水位越高，势能越大，下落时的能量越强。
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2 符号与单位
- 符号: U (国际标准) 或 V (常用)
- 单位: 伏特
- 单位换算:
- 1 千伏 = 1000 伏特
- 1 伏特 = 1000 毫伏
- 1 毫伏 = 1000 微伏
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3 物理意义
- 提供电能: 是电源将其他形式能（如化学能、光能、机械能）转化为电能的体现。
- 决定电流: 在电阻一定时，电压越高，电流越大（由欧姆定律决定）。
- 衡量做功能力: 电压越高，电流做功的能力越强。
产生与来源
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1 电源
- 作用: 维持电路两端电压，提供持续电流的装置。
- 原理: 通过非静电力（如化学作用、电磁感应）将电荷从一个极搬运到另一个极，形成电势差。
- 常见类型:
- 电池: 将化学能转化为电能（如干电池、锂电池）。
- 发电机: 将机械能转化为电能（如火力、水力、风力发电）。
- 太阳能电池: 将光能转化为电能。
- 整流电源: 将交流电转换为直流电。
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2 感应电压
- 电磁感应: 闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，会产生感应电压（法拉第电磁感应定律）。
- 静电感应: 导体在电场中，由于电荷的重新分布，其不同部分会产生电势差。
测量
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1 测量仪器
- 电压表 (Voltmeter / V-meter)
- 万用表的电压档
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2 使用规则
- 并联: 必须并联在被测电路或用电器两端。
- 正负极接线: 电流从电压表正接线柱流入，负接线柱流出，接反会导致指针反向偏转。
- 选择量程: 选择合适的量程，量程过大读数不精确，量程过小可能烧坏电表，应先选用大量程试触。
- 内阻: 理想电压表内阻无穷大，实际电压表内阻很大，接入电路时对电路影响很小。
类型与分类
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1 按方向变化
- 直流电压
- 定义: 电压的大小和方向不随时间变化。
- 符号: DC 或
- 例子: 电池、蓄电池、手机充电器输出的电压。
- 交流电压
- 定义: 电压的大小和方向随时间做周期性变化（通常为正弦变化）。
- 符号: AC 或
- 例子: 家庭用电、工业用电的电压。
- 直流电压
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2 按作用与位置
- 电源电压: 电源两端的电压，是整个电路的“总驱动力”。
- 用电器电压 (或称“电压降”): 电流通过用电器时，其两端的电压。
- 总电压: 在串联电路中等于各部分电压之和。
- 分电压: 在并联电路中各支路两端的电压相等。
相关定律与公式
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1 欧姆定律
- 在一段导体中，电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。
- 公式: U = I × R
- U: 电压 (V)
- I: 电流
- R: 电阻
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2 串联电路电压规律
- 串联电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和。
- 公式: U_总 = U₁ + U₂ + ... + U_n
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3 并联电路电压规律
- 并联电路中各支路两端的电压相等。
- 公式: U₁ = U₂ = ... = U_n = U_总
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4 电功与电功率
- 电功: W = U × I × t (电压是电流做功的驱动力)
- 电功率: P = U × I (电压是决定电功率的重要因素之一)
实际应用与安全
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1 常见电压值
- 一节干电池: 1.5 V
- 手机锂电池: 3.7 V ~ 4.2 V
- USB接口: 5 V
- 家庭电路: 220 V (中国及多数亚洲国家) / 110 V (美国、日本等)
- 高压输电: 数万至数十万伏特
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2 安全用电
- 安全电压: 不高于 36 V 的电压，在潮湿环境等特殊情况下，安全电压更低（如 12 V 或 24 V）。
- 高压危险: 高压电能在空气中击穿绝缘层，使人触电，应远离高压设备。
- 防雷措施: 避雷针是利用尖端放电原理，将雷电产生的巨大电流和电压安全导入大地，保护建筑物。
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3 技术应用
- 电子设备: 为芯片、传感器、显示屏等提供稳定的工作电压。
- 电动机: 通过改变电压来调节转速。
- 电力传输: 采用高压输电，以减少远距离输电过程中的能量损耗 (P_损 = I²R, 根据 P = UI, 在输送功率 P 不变时，提高电压 U 可减小电流 I)。
与其他电学量的关系
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1 电压 vs. 电流
- 关系: 电压是形成电流的原因，没有电压就没有电流。
- 区别: 电压是电势差，衡量“压力”；电流是电荷的定向移动，衡量“流量”。
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2 电压 vs. 电阻
- 关系: 电阻是导体对电流的阻碍作用，在电压一定时，电阻越大，电流越小。
- 区别: 电压是驱动力，电阻是阻碍力。
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3 电压 vs. 电势能
- 关系: 电压是单位电荷的电势能 (U = W/q)，电压越高，电荷在电路中移动时转化成的其他形式能（如光能、热能）就越多。
