Кіріспе

Электромагнетизм және электроникада электр қозғалтқыш күші (сондай-ақ электромотанс, қысқартылған emf, белгісі немесе ) – электр зарядының бір бірлігіне берілетін энергия, вольтпен өлшенеді. Электрлік түрлендіргіштер деп аталатын құрылғылар ЭҚК-ні қамтамасыз етеді. Басқа электр жабдықтары да ЭҚК-ні тудырады, мысалы, химиялық энергияны түрлендіретін батареялар және механикалық энергияны түрлендіретін генераторлар. Бұл энергияны түрлендіру электр зарядына физикалық жұмыс атқаратын физикалық күштер арқылы жүзеге асырылады. Дегенмен, электр қозғалтқыш күшінің өзі физикалық күш емес, ал ISO/IEC стандарттары осы терминді көздік кернеу немесе көздік тартымдылықтың пайдасына қолдануды ұсынады (белгіленген ). Электрондық-гидравликалық аналогияда ЭҚК-ні сорғының суға атқаратын механикалық жұмысы ретінде қарастыруға болады, бұл қысымның айырмашылығына (кернеуге ұқсас) әкеледі. Электромагниттік индукцияда ЭҚК өткізгіштің жабық контуры бойынша, егер элементарлық электр заряды (мысалы, электрон) контур бойымен бір рет өтетін болса, атқарылатын электромагниттік жұмыс ретінде анықталуы мүмкін. Тевенин эквиваленттік тізбегі ретінде модельделген екі терминалды құрылғылар үшін эквивалентті ЭҚК екі терминал арасындағы ашық тізбек кернеуі ретінде өлшенуі мүмкін. Бұл ЭҚК терминалдарға сыртқы тізбек қосылғанда электр тогын тудыра алады, бұл жағдайда құрылғы сол тізбектің кернеу көзіне айналады. ЭҚК кернеуді тудырса және кернеу ретінде өлшенсе, сондай-ақ кейде бейресми түрде «кернеу» деп аталатын болса да, олар бір құбылыс емес (қараңыз).

Шолу

ЭМҚ-ны қамтамасыз ететін құрылғыларға электрохимиялық элементтер, термоэлектрлік құрылғылар, күн элементтері, фотодиодтар, электр генераторлары, индукторлар, трансформаторлар және тіпті Ван-де-Графф генераторлары жатады. Табиғатта ЭМҚ магнит өрісінің өзгеруі бет арқылы орын алғанда туындайды. Мысалы, геомагниттік дауыл кезінде Жердің магниттік өрісінің ауысуы, магниттік өрістің сызықтары өткізгіштер арқылы өтіп қиылысқанда, электр желісінде токтарды тудырады. Батареяда терминалдар арасындағы потенциалдың айырмашылығын (кернеуді) тудыратын зарядтың бөлінуі, электродтардағы химиялық реакциялар арқылы жүзеге асырылады, бұл химиялық потенциалдық энергияны электромагниттік потенциалдық энергияға айналдырады. Вольт элементін әр электродта атомдық өлшемдегі "заряд сорғысы" бар деп қарастыруға болады, яғни: text=ЭМҚ-ның (химиялық) көзін, төмен потенциал нүктесінен оның ішкі бөлігі арқылы жоғары потенциал нүктесіне оң зарядтарды жылжытуға бағытталған заряд сорғысы ретінде қарастыруға болады. Химиялық, механикалық немесе басқа тәсілдермен ЭМҚ көзі, сол зарядты жоғары потенциалға жылжыту үшін жұмыс жасайды. Көздің ЭМҚ-сы, зарядқа жасалған жұмыс ретінде анықталады. Электр генераторында, генератордың ішіндегі уақыт бойынша өзгеретін магнит өрісі, электромагниттік индукция арқылы электр өрісін жасайды, бұл генератордың терминалдары арасындағы потенциалдың айырмашылығын тудырады. Зарядтың бөлінуі генератордың ішінде жүреді, себебі электрондар бір терминалдан екіншісіне қарай ағылады, ал ашық тізбекте электр өрісі пайда болғанға дейін, қосымша зарядтың бөлінуіне бөгет жасайды. ЭМҚ-ға зарядтың бөлінуінен туындаған электр кернеуі қарсы тұрады. Егер жүктеме қосылса, бұл кернеу ток тудыруы мүмкін. Мұндай электр машиналарындағы ЭМҚ-ны басқаратын жалпы принцип – Фарадейдің индукция заңы.

Тарих

1801 жылы Алессандро Вольта батареяның белсенді күшін сипаттау үшін "force motrice électrique" терминін енгізді (ол оны шамамен 1798 жылы ойлап тапқан). Бұл ағылшын тілінде "электрмотивтік күш" деп аталады. 1830 жылы Майкл Фарадей екі электродтың әрқайсысындағы электролиттік интерфейстердегі химиялық реакциялар вольта элементі үшін "ЭМҚ орны" екенін анықтады. Яғни, осы реакциялар ток тудырады және бұрынғы ескі теория есептегендей, энергияның шексіз көзі емес. Электростатикалық бірліктердегі электрмотивтік күш – штат вольт (сантиметр-грамм-секунд жүйесінде электр статикалық заряды бірлігіне тең эрг).

Вольталық элементтер

1792 жылы Вольта вольталық элементтің прототипін жасады және жұмысын 1800 жылғы 20 наурызда таныстырды. Вольта кернеуді тудыруда әртүрлі электродтардың ролін дұрыс анықтады, бірақ электролиттің әсерін дұрыс бағаламады. Ол металдарды «кернеу қатары» бойынша реттеді, яғни тізімдегі кез келген металл, одан кейін тұрған металлмен жанасқанда оң, ал одан бұрын тұрған металлмен жанасқанда теріс заряд алады. Осы тізбектің схемалық бейнесінде (–||–) әдетте 1-электрод ұзын, ал 2-электрод қысқа болып бейнеленеді, бұл 1-электродтың басым екенін көрсетеді. Вольтаның қарама-қарсы электродтардың ЭҚК-сы туралы заңы, егер он электрод (мысалы, мырыш және басқа тоғыз материал) берілсе, вольталық элементтердің 45 уникалды комбинациясын (10 × 9/2) құруға мүмкіндік береді.

Үлгілік мәндер

Электр қозғалтқыш күші негізгі (бір рет қолданылатын) және екінші (қайта зарядталатын) элементтерде әдетте бірнеше вольтқа тең болады. Төменде келтірілген мәндер номиналды, себебі ЭҚК жүктеменің мөлшеріне және элементтің тозу деңгейіне байланысты өзгереді. ЭҚК Жасуша химиясы Қолданылатын атауы Анод Еріткіш, электролит Катод 1.2 В Кадмий Су, калий гидроксиді NiO(OH) никель-кадмий 1.2 В Қоспа металл (сутекті сіңіретін) Су, калий гидроксиді Никель-металл гидриді 1.5 В Цинк Су, аммоний немесе мырыш хлориді Көміртек, марганец диоксиді Цинк-көміртек 2.1 В Қорғасын Су, күкірт қышқылы Қорғасын диоксиді Қорғасын-қышқыл 3.6 В - 3.7 В Графит Органикалық еріткіш, Li тұздары LiCoO2 Литий-ионды 1.35 В Цинк Су, натрий немесе калий гидроксиді HgO Сынап жасушасы

Басқа химиялық көздер

Басқа химиялық көздерге де отын жасушалары жатады.

Электромагниттік индукция

Электромагниттік индукция – уақытқа тәуелді магнит өрісінің айналмалы электр өрісін тудыру процесі. Уақытқа тәуелді магнит өрісі магниттің тізбекке қатысты қозғалысымен, тізбектің басқа тізбекке қатысты қозғалысымен (кем дегенде олардың біреуі электр тогын тасымалдауы керек) немесе тұрақты тізбекте электр тогын өзгерту арқылы туындауы мүмкін. Электр тогының өзгеруінің тізбекке тигізетін әсері өзіндік индукция деп аталады, ал басқа тізбекке тигізетін әсері – өзара индукция деп аталады. Белгілі бір тізбек үшін электромагниттік индукцияланған ЭҚК, Фарадейдің индукция заңына сәйкес, тізбек арқылы магниттік ағымның өзгеру жылдамдығымен толығымен анықталады. ЭҚК катушкада немесе өткізгіште ағын байланысының өзгеруі кезінде туындайды. Өзгерістердің қалай орын алуына байланысты екі түрі бар: өткізгіш тұрақты магнит өрісінде қозғалғанда және ағын байланысын өзгертуге қол жеткізгенде, ЭҚК статикалық түрде индукцияланады. Қозғалыс арқылы туындайтын электр қозғалтқыш күші көбінесе қозғалыс ЭҚК деп аталады. Ағын байланысының өзгеруі стационарлық өткізгіштің айналасындағы магнит өрісінің өзгеруінен туындағанда, ЭҚК динамикалық түрде индукцияланады. Уақыт бойынша өзгеретін магнит өрісі арқылы туындайтын электр қозғалтқыш күші көбінесе трансформаторлық ЭҚК деп аталады.

Байланыс потенциалы

Екі түрлі материалдан жасалған қатты денелер жанасқанда, термодинамикалық тепе-теңдік үшін олардың бірінің электр потенциалы екіншісінен жоғары болуы керек. Бұл құбылыс контактілік потенциал деп аталады. Бір-бірімен жанасқан әртүрлі металдар контактілік электр қозғаушы күшін немесе Гальвани потенциалын тудырады. Бұл потенциалдар айырмасының шамасы көбінесе екі қатты дене зарядтық бейтарап күйде болғандағы Ферми деңгейлерінің айырмашылығы ретінде беріледі. Ферми деңгейі (электрондық жүйенің химиялық потенциалының атауы) денеден белгілі бір ортақ нүктеге (мысалы, жерге) электронды алып тастауға қажетті энергияны сипаттайды. Егер бір денеден екіншісіне электронды алуда энергиялық артықшылық болса, онда мұндай көшу орын алады. Көшу зарядтың бөлінуіне әкеледі, бір дене электрондарды қабылдаса, екіншісі олардан айырылады. Бұл заряд көшуі денелер арасында потенциалдар айырмашылығын тудырады, ол контактіден туындаған потенциалды ішінара бейтараптандырады және ақырында тепе-теңдікке жетеді. Термодинамикалық тепе-теңдікте Ферми деңгейлері тең болады (электронды алып тастау энергиясы бірдей) және денелер арасында енді тұрақты электростатикалық потенциал пайда болады. Контактіге дейінгі Ферми деңгейлерінің бастапқы айырмашылығы ЭҚК (электр қозғаушы күш) деп аталады. Контактілік потенциал тікелей жалғанған жүктеме арқылы тұрақты ток тудыра алмайды, өйткені мұндай ток зарядтың көшуін қажет етеді. Мұндай көшуді жалғастыруға және, демек, тепе-теңдікке жеткеннен кейін токты сақтауға ешқандай механизм жоқ. Контактілік потенциал неліктен Керхгофтың кернеу заңында потенциалдың түсулер қосындысының бір бөлігі ретінде көрінбейтінін сұрауға болады. Кәдімгі жауап: кез келген тізбек тек белгілі бір диодты немесе қосылысты ғана емес, сонымен қатар бүкіл тізбектегі сымдарға байланысты барлық контактілік потенциалдарды қамтиды. Барлық контактілік потенциалдардың қосындысы нөлге тең, сондықтан оларды Керхгоф заңында ескермеуге болады.

Күн элементі

Күн элементінің жұмыс істеуін оның эквиваленттік тізбегінен түсінуге болады. Жартылай өткізгіштің тыйымдалған аймағынан артық энергиясы бар фотондар жылжымалы электрон-тесік жұптарын жасайды. Зарядтың бөлінуі p-n торабына тән электр өрісінің болуына байланысты жүзеге асады. Бұл электр өрісі тораптағы екі түрлі материал арасындағы контакт потенциалынан туындайтын, ішкі потенциалдан пайда болады. p-n диодтағы оң тесіктер мен теріс электрондардың арасындағы зарядтың бөлінуі жарықтандырылған диодтың қосылғыштары арасындағы алдыңғы кернеуді, фотокернеуді тудырады, ол қосылған кез келген жүктеме арқылы токты қозғайды. Фотокернеу кейде фотоэлектр қозғаушы күші (фотоэжқ) деп аталады, бұл эффект пен оның себебін ажырату үшін қолданылады.