電動勢、端電壓、電位差、壓降的實驗

前一篇說明了電動勢、端電壓、電位差、壓降的意義

接下來我們選了兩種不同的電源來實驗

一個是24W的交換式電源

另一個是5C的18650的鋰電池，最大功率約有100W

兩個都用BUCK來調整電壓

照片左端的電表呈現電源的電動勢

右端則是負載的電位差

在開路的時候負載的電壓略低於電源的電動勢

這應該是合理的，畢竟多加了一個電表也是負載

所以我們會以右側電表的電壓當作開路電壓來比較

負載的部分用了五種功率電阻，從3.9歐到220.1歐

分別接上不同負載之後紀錄負載的電位差和電流

結果如下

POWER1：交換式電源

POWER2：18650鋰電

實驗記錄

基本上電流在0.2A以上時，計算出來的電阻和實測非常接近

但電流一掉下來之後就不準了

這和我的電表極限有關

這組電表的電流是10A無段

因此在低電流的時候誤差就比較大，出來會比較不準是可以理解的

觀察電壓才是重點

在第一組交換式電源可以明顯發現當負載電阻越小的時候

壓降也會比較大

但利用18650的電源，壓降就明顯小了許多

到220歐的電阻幾乎就完全沒有壓降的問題了

這個壓降和電源的設計與功率有絕對的關係

一般來說，電源功率越大或內部元件設計越仔細

通常內阻也會越小，壓降就越不明顯

因此如果實驗用的電源品質越好，或負載的電阻較大

量測出來的電動勢(開路電壓)就可以直接代表負載的電位差

也就比較符合課本闡述的理想狀況

對初學者來說可以呈現出這樣的情況是最好的

這就要老師在設計實驗的時候多加注意了

電動勢、端電壓、電位差、壓降的意義

上一篇講到科學解釋的迷思與誤用

提到端電壓與電位差的概念

其實這個名詞之前就說過許多次

但一直沒有認真說

有朋友問起，就依我認知的跟大家聊聊

(我不是教授，以下如有錯誤概不負責，請自行查驗)

國高中只提到電壓( Voltage )這個名詞

但實際上在真實世界卻有許多不同的稱呼(單位都是伏特)

首先，電源會提供一個電壓

在沒有負載或負載極小的情況下我們測量出來的就叫做電動勢（electromotive force，EMF，經常稱為ε )

在電子學裡也常稱為開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）

也就是這個電源理論上「單位電量可以作的功」

但真實的電源並非完全沒有阻抗( impedance )

這個電源若是化學電池

阻抗的來源可能是化學反應產生的氣體或其他副反應的干擾或封裝不良或反應速率改變等等複合的原因

若是線性電源或是交換式電源

阻抗可能是內部電感或電容產生的電抗( reactance )或線路本身的電阻 (resistance）等等綜合的因素

這些電源內部的阻抗我們通常就稱為內阻（internal resistance）

所以內阻理論上也不會是一個定值

通常要產生電流之後內阻才會出現

因此當電源接上負載產生電流之後

這個內阻就會消耗一部份電壓

使得電源實際輸出的電壓會下降

這個真實輸出的電壓通常就稱為端電壓( terminal voltage )

當我們直接用電表測量電源輸出電壓時

因為負載電流極小，因此這時候量出來的端電壓「幾乎」就是開路電壓

也就是電源的電動勢

可是我們將電源接上負載之後，在線路中產生了電流

通常我們都會直接認知電源的電動勢(開路電壓)就是負載兩端電位差（electric potential difference）

但實際上我們已經知道電源有阻抗

其實線路也會有一定程度的電阻

這些因素都會消耗掉電源的電動勢

因此實際到負載時，電位差就會小於理想中的電源電動勢

這個電壓差值就是所謂的壓降( voltage drop )

所以壓降基本上不會是定值，和電流大小、電源內阻、線路電阻都有絕對的關係

所以若電源單純只接一個負載

在計算歐姆定律的時候我們所使用的V應該是負載兩端的電位差

而不是電源的電動勢

那甚麼時候電動勢(電源的開路電壓)可以直接拿來用？

下一篇再直接實驗來說明好了