Введение

Электрическое действие, производимое неэлектрическим источником

В электромагнетизме и электронике, электродвижущая сила (также ЭДС, сокращенно emf, обозначается или ) – это передача энергии в электрическую цепь на единицу электрического заряда, измеряемая в вольтах. Устройства, называемые электрическими преобразователями, обеспечивают ЭДС. Другие электрические устройства также производят ЭДС, такие как батареи, которые преобразуют химическую энергию, и генераторы, которые преобразуют механическую энергию. Это преобразование энергии достигается физическими силами, совершающими работу над электрическими зарядами. Однако, сама электродвижущая сила не является физической силой, и стандарты ISO/IEC не рекомендуют использовать этот термин, предпочитая термин напряжение источника или потенциал источника (обозначается ). Электронно-гидравлическая аналогия может рассматривать ЭДС как механическую работу, совершаемую насосом над водой, что приводит к разности давлений (аналогично напряжению). В электромагнитной индукции ЭДС может быть определена вокруг замкнутого контура проводника как электромагнитная работа, которая была бы совершена над элементарным электрическим зарядом (например, электроном), если бы он совершил один оборот по контуру. Для двухполюсных устройств, моделируемых как эквивалентная схема Тевена, эквивалентная ЭДС может быть измерена как напряжение разомкнутой цепи между двумя полюсами. Эта ЭДС может создавать электрический ток, если к полюсам подключена внешняя цепь, в этом случае устройство становится источником напряжения для этой цепи. Хотя ЭДС порождает напряжение и может быть измерена как напряжение, и иногда неформально называется "напряжением", это не одно и то же явление (см.).

Обзор

Устройства, способные создавать ЭДС, включают электрохимические элементы, термоэлектрические устройства, солнечные батареи, фотодиоды, электрические генераторы, индукторы, трансформаторы и даже генераторы Ван-де-Граафа. В природе ЭДС генерируется при колебаниях магнитного поля на поверхности. Например, смещение магнитного поля Земли во время геомагнитной бури индуцирует токи в электрической сети, поскольку линии магнитного поля перемещаются и пересекают проводники. В батарее разделение зарядов, приводящее к разности потенциалов (напряжению) между полюсами, достигается за счет химических реакций на электродах, которые преобразуют химическую потенциальную энергию в электромагнитную потенциальную энергию. Вольтов элемент можно рассматривать как имеющий "насос заряда" атомных размеров на каждом электроде, то есть: text=Химический источник ЭДС можно рассматривать как своего рода насос заряда, который перемещает положительные заряды из точки с низким потенциалом через свою внутреннюю часть в точку с высоким потенциалом. Химическим, механическим или иным способом источник ЭДС совершает работу над этим зарядом, чтобы переместить его к полюсу с высоким потенциалом. ЭДС источника определяется как работа, совершаемая на единицу заряда. В электрическом генераторе изменяющееся во времени магнитное поле внутри генератора создает электрическое поле посредством электромагнитной индукции, что создает разность потенциалов между полюсами генератора. Разделение зарядов происходит внутри генератора, поскольку электроны перемещаются от одного полюса к другому, пока, в случае разомкнутой цепи, не возникнет электрическое поле, препятствующее дальнейшему разделению зарядов. ЭДС противодействует электрическому напряжению, вызванному разделением зарядов. При подключении нагрузки это напряжение может создавать ток. Общий принцип, определяющий ЭДС в таких электрических машинах, – закон электромагнитной индукции Фарадея.

История

В 1801 году Алессандро Вольта ввёл термин "force motrice électrique" для описания активного агента батареи (которую он изобрел около 1798 года). В английском языке это называется "электродвижущей силой". Около 1830 года Майкл Фарадей установил, что химические реакции на каждом из двух электродно-электролитных интерфейсов являются источником электродвижущей силы в вольтовой ячейке. То есть, именно эти реакции создают ток и не представляют собой бесконечный источник энергии, как полагала более ранняя, устаревшая теория. Электродвижущая сила в электростатических единицах измеряется в штатвольтах (в сантиметрограммовой системе единиц она равна эргу на единицу электростатического заряда).

Вольтаические элементы

Вольта разработал вольтову ячейку примерно в 1792 году и представил свою работу 20 марта 1800 года. Вольта верно определил роль разнородных электродов в создании напряжения, но ошибочно отверг какую-либо роль электролита. Вольта расположил металлы в "ряду напряжений", "то есть в таком порядке, что любой из них становится положительным при контакте с любым последующим в этом ряду, но отрицательным при контакте с любым предыдущим". Типичное символическое обозначение в схеме этой цепи ( –||– ) использует длинный электрод 1 и короткий электрод 2, чтобы показать, что электрод 1 является доминирующим. Закон Вольта об электродвижущих силах противоположных электродов подразумевает, что при наличии десяти электродов (например, цинка и девяти других материалов) можно создать 45 уникальных комбинаций вольтовых элементов (10 × 9/2).

Типичные значения

Электромоторная сила, производимая первичными (одноразовыми) и вторичными (перезаряжаемыми) элементами, обычно составляет порядка нескольких вольт. Приведенные ниже значения являются номинальными, поскольку ЭДС изменяется в зависимости от величины нагрузки и степени разряда элемента. ЭДС Химия элемента Распространенное название Анод Растворитель, электролит Катод 1.2 В Кадмий Вода, гидроксид калия NiO(OH) никель-кадмиевый 1.2 В Мишметалл (водопоглощающий) Вода, гидроксид калия Никель-металлгидридный 1.5 В Цинк Вода, хлорид аммония или цинка Углерод, диоксид марганца Цинко-углеродный 2.1 В Свинец Вода, серная кислота Диоксид свинца Свинцово-кислотный 3.6 В – 3.7 В Графит Органический растворитель, соли лития LiCoO2 Литий-ионный 1.35 В Цинк Вода, гидроксид натрия или калия HgO Ртутный

Другие химические источники

Другие химические источники включают топливные элементы.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция – это создание циркулирующего электрического поля изменяющимся во времени магнитным полем. Изменяющееся во времени магнитное поле может быть создано либо движением магнита относительно контура, либо движением контура относительно другого контура (при этом хотя бы в одном из них должен протекать электрический ток), либо изменением электрического тока в неподвижном контуре. Влияние изменения электрического тока на сам контур называется самоиндукцией, а влияние на другой контур – взаимной индукцией. Для данного контура электромагнитно-индуцированная ЭДС определяется исключительно скоростью изменения магнитного потока через контур в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. ЭДС индуцируется в катушке или проводнике всякий раз, когда происходит изменение числа магнитных линий, пронизывающих контур. В зависимости от способа осуществления изменений, выделяют два типа: когда проводник перемещается в стационарном магнитном поле для изменения числа магнитных линий, пронизывающих контур, ЭДС индуцируется статически. Электродвижущая сила, возникающая при движении, часто называется ЭДС движения. Когда изменение числа магнитных линий, пронизывающих контур, вызвано изменением магнитного поля вокруг неподвижного проводника, ЭДС индуцируется динамически. Электродвижущая сила, генерируемая изменяющимся во времени магнитным полем, часто называется трансформаторной ЭДС.

Контактные потенциалы

Когда твёрдые тела из двух различных материалов находятся в контакте, термодинамическое равновесие требует, чтобы одно из тел имело более высокий электрический потенциал, чем другое. Это называется потенциалом контакта. Контакт различных металлов создаёт то, что также известно как контактная электродвижущая сила или потенциал Гальвани. Величина этой разности потенциалов часто выражается как разность уровней Ферми в двух телах, когда они находятся в состоянии заряда нейтральности, где уровень Ферми (обозначение химического потенциала электронной системы) описывает энергию, необходимую для удаления электрона из тела в некоторую общую точку (например, заземление). Если энергетически выгодно перенести электрон из одного тела в другое, то такой перенос произойдёт. Этот перенос вызывает разделение зарядов: одно тело приобретает электроны, а другое их теряет. Перенос заряда создаёт разность потенциалов между телами, которая частично компенсирует потенциал, возникающий при контакте, и в конечном итоге достигается равновесие. В состоянии термодинамического равновесия уровни Ферми равны (энергия удаления электронов одинакова), и между телами возникает встроенный электростатический потенциал. Изначальная разность уровней Ферми до контакта называется ЭДС. Контактный потенциал не может поддерживать постоянный ток через нагрузку, подключённую к его выводам, поскольку это потребовало бы переноса заряда. Механизма для продолжения такого переноса и, следовательно, поддержания тока после установления равновесия не существует. Можно задаться вопросом, почему контактный потенциал не учитывается в законе Кирхгофа о напряжениях как вклад в сумму падений потенциала. Общепринятый ответ заключается в том, что любая схема включает в себя не только конкретный диод или переход, но и все контактные потенциалы, обусловленные проводкой и т.д. по всей схеме. Сумма всех контактных потенциалов равна нулю, поэтому их можно не учитывать в законе Кирхгофа.

Солнечный элемент

Работа солнечного элемента может быть понята на основе его эквивалентной схемы. Фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, создают подвижные электронно-дырочные пары. Разделение зарядов происходит благодаря существующему электрическому полю, связанному с p-n переходом. Это электрическое поле возникает из-за встроенного потенциала, который обусловлен контактным потенциалом между двумя различными материалами в переходе. Разделение зарядов между положительными дырками и отрицательными электронами в p-n диоде приводит к возникновению фотонапряжения между выводами освещенного диода, которое обеспечивает протекание тока через подключенную нагрузку. Фотонапряжение иногда называют фото-ЭДС, чтобы отличать эффект от его причины.