Электродвижущая сила

Электрическое воздействие, производимое неэлектрическим источником

В электромагнетизме и электронике электродвижущая сила (также электродвижущая сила , сокращенно ЭДС , ^{[1] [2]} обозначается ) представляет собой передачу энергии в электрическую цепь на единицу электрического заряда , измеряемого в вольтах . Устройства, называемые электрическими преобразователями, обеспечивают ЭДС ^[3] путем преобразования других форм энергии в электрическую энергию . ^[3] Другие типы электрооборудования также производят ЭДС, такие как батареи , которые преобразуют химическую энергию , и генераторы , которые преобразуют механическую энергию . ^[4] Это преобразование энергии достигается за счет физических сил, применяющих физическую работу к электрическим зарядам . Однако сама по себе электродвижущая сила не является физической силой, ^[5] и стандарты ISO / IEC исключили этот термин в пользу напряжения источника или напряжения источника вместо этого (обозначается ). ^{[6] [7]} ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle U_{s}}$

Электронно -гидравлическая аналогия может рассматривать ЭДС как механическую работу, выполняемую насосом над водой , что приводит к разнице давлений (аналогично напряжению) . ^[8]

В электромагнитной индукции ЭДС можно определить вокруг замкнутого контура проводника как электромагнитную работу , которая была бы совершена элементарным электрическим зарядом (например, электроном ), если бы он совершил один оборот вокруг контура. ^[9]

Для двухконтактных устройств , смоделированных как эквивалентная схема Тевенина , эквивалентная ЭДС может быть измерена как напряжение разомкнутой цепи между двумя клеммами. Эта ЭДС может управлять электрическим током , если внешняя цепь присоединена к клеммам, в этом случае устройство становится источником напряжения этой цепи.

Хотя ЭДС создает напряжение и может быть измерена как напряжение, а иногда ее неформально называют «напряжением», это не одно и то же явление (см. § Различие с разностью потенциалов).

Обзор

Устройства, которые могут обеспечивать ЭДС, включают электрохимические элементы , термоэлектрические устройства , солнечные элементы , фотодиоды , электрические генераторы , индукторы , трансформаторы и даже генераторы Ван де Граафа . ^{[10] [11]} В природе ЭДС генерируется, когда колебания магнитного поля происходят через поверхность. Например, смещение магнитного поля Земли во время геомагнитной бури индуцирует токи в электрической сети , поскольку линии магнитного поля смещаются и пересекают проводники.

В батарее разделение зарядов, которое приводит к возникновению разности потенциалов ( напряжения ) между клеммами, достигается химическими реакциями на электродах , которые преобразуют химическую потенциальную энергию в электромагнитную потенциальную энергию. ^{[12] [13]} Гальванический элемент можно рассматривать как имеющий «зарядный насос» атомных размеров на каждом электроде, то есть:

(Химический) источник ЭДС можно рассматривать как своего рода зарядовый насос , который перемещает положительные заряды из точки с низким потенциалом через его внутреннюю часть в точку с высоким потенциалом. … С помощью химических, механических или других средств источник ЭДС выполняет работу над этим зарядом, чтобы переместить его к клемме с высоким потенциалом. ЭДС источника определяется как работа, выполненная на заряд . . ^[14] ${\textstyle {\mathit {d}}W}$ ${\textstyle {\mathcal {E}}}$ ${\textstyle {\mathit {d}}W}$ ${\textstyle dq}$ ${\textstyle {\mathcal {E}}={\frac {{\mathit {d}}W}{{\mathit {d}}q}}}$

В электрическом генераторе изменяющееся во времени магнитное поле внутри генератора создает электрическое поле посредством электромагнитной индукции , которая создает разность потенциалов между клеммами генератора. Разделение зарядов происходит внутри генератора, поскольку электроны текут от одной клеммы к другой, пока в случае разомкнутой цепи не образуется электрическое поле, которое делает дальнейшее разделение зарядов невозможным. ЭДС противодействует электрическому напряжению из-за разделения зарядов. Если подключена нагрузка , это напряжение может вызывать ток. Общим принципом, управляющим ЭДС в таких электрических машинах, является закон индукции Фарадея .

История

В 1801 году Алессандро Вольта ввел термин «force motrice électrique» для описания активного агента батареи (которую он изобрел около 1798 года). ^[15] На английском языке это называется «электродвижущая сила».

Около 1830 года Майкл Фарадей установил, что химические реакции на каждом из двух интерфейсов электрод–электролит обеспечивают «место ЭДС» для гальванического элемента. То есть, эти реакции управляют током и не являются бесконечным источником энергии, как считала более ранняя устаревшая теория . ^[16] В случае разомкнутой цепи разделение зарядов продолжается до тех пор, пока электрическое поле от разделенных зарядов не станет достаточным для остановки реакций. Несколькими годами ранее Алессандро Вольта , который измерил контактную разность потенциалов на интерфейсе металл–металл (электрод–электрод) своих элементов, придерживался неверного мнения, что только контакт (без учета химической реакции) является источником ЭДС.

Обозначения и единицы измерения

Электродвижущую силу часто обозначают как или ℰ . ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

В устройстве без внутреннего сопротивления , если электрический заряд, проходящий через это устройство, приобретает энергию посредством работы, чистая ЭДС для этого устройства представляет собой энергию, приобретаемую на единицу заряда: Как и другие меры энергии на заряд, ЭДС использует единицу СИ вольт , которая эквивалентна джоулю (единица СИ энергии) на кулон (единица СИ заряда). ^[17] ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle W}$ ${\textstyle {\tfrac {W}{Q}}.}$

Электродвижущая сила в электростатических единицах — статвольт (в системе единиц сантиметр-грамм-секунда равна по величине одному эргу на электростатическую единицу заряда).

Формальные определения

Внутри источника ЭДС (например, батареи), который разомкнут, происходит разделение зарядов между отрицательным выводом N и положительным выводом P. Это приводит к электростатическому полю , которое указывает от P к N , тогда как ЭДС источника должна быть способна управлять током от N к P при подключении к цепи. Это привело Макса Абрахама ^[18] к введению концепции неэлектростатического поля , которое существует только внутри источника ЭДС. В случае разомкнутой цепи, , в то время как когда источник подключен к цепи, электрическое поле внутри источника изменяется, но остается по существу тем же самым. В случае разомкнутой цепи консервативное электростатическое поле, созданное разделением зарядов, в точности отменяет силы, создающие ЭДС. ^[19] Математически: ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'=-{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'}$

$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}'\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=-\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=V_{P}-V_{N}\ ,}$$

где — консервативное электростатическое поле, созданное разделением зарядов, связанным с ЭДС, — элемент пути от клеммы N до клеммы P , ' ' обозначает скалярное произведение векторов , а — электрический скалярный потенциал. ^[20] Эта ЭДС представляет собой работу , совершаемую над единичным зарядом неэлектростатическим полем источника, когда заряд перемещается от N к P. ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }}$ ${\displaystyle \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$ ${\displaystyle \cdot }$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'}$

Когда источник подключен к нагрузке, его ЭДС становится равной и уже не имеет простой связи с электрическим полем внутри него. ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}'\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$

В случае замкнутого контура в присутствии переменного магнитного поля интеграл электрического поля вокруг (стационарного) замкнутого контура может быть ненулевым. Тогда « индуцированная ЭДС » (часто называемая «индуцированным напряжением») в контуре равна: ^[21] ${\displaystyle C}$

$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{C}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d\Phi _{C}}{dt}}=-{\frac {d}{dt}}\oint _{C}{\boldsymbol {A}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$$

где — все электрическое поле, консервативное и неконсервативное, а интеграл — вокруг произвольной, но стационарной замкнутой кривой, через которую проходит изменяющийся во времени магнитный поток , а — векторный потенциал . Электростатическое поле не вносит вклад в чистую ЭДС вокруг цепи, поскольку электростатическая часть электрического поля консервативна (т. е. работа, совершаемая против поля вокруг замкнутого контура, равна нулю, см. закон напряжения Кирхгофа , который справедлив, пока элементы цепи остаются в состоянии покоя, а излучение игнорируется ^[22] ). То есть «индуцированная ЭДС» (подобно ЭДС батареи, подключенной к нагрузке) не является «напряжением» в смысле разности электрического скалярного потенциала. ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \Phi _{C}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {A}}}$

Если контур представляет собой проводник, который несет ток в направлении интегрирования вокруг контура, и магнитный поток обусловлен этим током, мы имеем, что , где - самоиндукция контура. Если, кроме того, контур включает в себя катушку, которая простирается от точки 1 до 2, так что магнитный поток в значительной степени локализован в этой области, принято говорить об этой области как об индукторе и считать, что его ЭДС локализована в этой области. Затем мы можем рассмотреть другой контур , который состоит из спирального проводника от 1 до 2 и воображаемой линии вниз по центру катушки от 2 обратно к 1. Магнитный поток и ЭДС в контуре по существу такие же, как и в контуре : ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle \Phi _{B}=LI}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle C}$ $${\displaystyle {\mathcal {E}}_{C}={\mathcal {E}}_{C'}=-{\frac {d\Phi _{C'}}{dt}}=-L{\frac {dI}{dt}}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ .}$$

Для хорошего проводника можно пренебречь, поэтому в хорошем приближении имеем, где — электрический скалярный потенциал вдоль средней линии между точками 1 и 2. ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }}$ $${\displaystyle L{\frac {dI}{dt}}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=V_{1}-V_{2}\ ,}$$ ${\displaystyle V}$

Таким образом, мы можем связать эффективное «падение напряжения» с катушкой индуктивности (хотя наше базовое понимание индуцированной ЭДС основано на векторном потенциале, а не на скалярном), и рассматривать его как элемент нагрузки в законе напряжения Кирхгофа, ${\displaystyle L\ dI/dt}$

$${\displaystyle \sum {\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\sum _{\mathrm {load\ elements} }\mathrm {voltage\ drops} ,}$$

где теперь индуцированная ЭДС не считается исходной ЭДС. ^[23]

Это определение можно распространить на произвольные источники ЭДС и пути, движущиеся со скоростью через электрическое поле и магнитное поле : ^[24] ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {B}}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {E}}&=\oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\\&\qquad +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ chemical\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\\&\qquad \qquad +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ thermal\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,\end{aligned}}}$$

что в основном является концептуальным уравнением, поскольку определение "эффективных сил" является сложным. Термин часто называют "движущейся ЭДС". ${\displaystyle \oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

В (электрохимической) термодинамике

При умножении на величину заряда ЭДС дает термодинамический рабочий член , который используется в формализме для изменения энергии Гиббса при передаче заряда в батарее: ${\displaystyle dQ}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}\,dQ}$

${\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP+{\mathcal {E}}\,dQ\ ,}$

где — свободная энергия Гиббса, — энтропия , — объем системы, — ее давление и — ее абсолютная температура . ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle T}$

Комбинация является примером сопряженной пары переменных . При постоянном давлении вышеуказанное соотношение создает соотношение Максвелла , которое связывает изменение напряжения открытой ячейки с температурой (измеримой величиной) с изменением энтропии , когда заряд передается изотермически и изобарически . Последнее тесно связано с энтропией реакции электрохимической реакции, которая дает батарее ее мощность. Это соотношение Максвелла: ^[25] ${\displaystyle ({\mathcal {E}},Q)}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle S}$

${\displaystyle \left({\frac {\partial {\mathcal {E}}}{\partial T}}\right)_{Q}=-\left({\frac {\partial S}{\partial Q}}\right)_{T}}$

Если моль ионов переходит в раствор (например, в ячейке Даниэля, как обсуждается ниже), заряд через внешнюю цепь равен:

${\displaystyle \Delta Q=-n_{0}F_{0}\ ,}$

где - число электронов/ионов, - постоянная Фарадея , а знак минус указывает на разрядку ячейки. При условии постоянного давления и объема термодинамические свойства ячейки строго связаны с поведением ее ЭДС: ^[25] ${\displaystyle n_{0}}$ ${\displaystyle F_{0}}$

${\displaystyle \Delta H=-n_{0}F_{0}\left({\mathcal {E}}-T{\frac {d{\mathcal {E}}}{dT}}\right)\ ,}$

где - энтальпия реакции . Величины справа все измеряются напрямую. Предполагая постоянную температуру и давление: ${\displaystyle \Delta H}$

${\displaystyle \Delta G=-n_{0}F_{0}{\mathcal {E}}}$

который используется при выводе уравнения Нернста .

Различение по разнице потенциалов

Хотя разность электрических потенциалов (напряжение) иногда называют ЭДС, ^{[26] [27] [28] [29] [30]} формально это разные понятия:

• Разность потенциалов — более общий термин, включающий ЭДС.
• ЭДС является причиной возникновения разности потенциалов.
• В цепи источника напряжения и резистора сумма приложенного напряжения источника плюс омическое падение напряжения на резисторе равна нулю. Но резистор не создает ЭДС, ее создает только источник напряжения:
  • В цепи, использующей в качестве источника питания батарею, ЭДС обусловлена ​​исключительно химическими силами в батарее.
  • В цепи, использующей электрический генератор, ЭДС обусловлена ​​исключительно изменяющимися во времени магнитными силами внутри генератора.
• Как ЭДС в 1 вольт, так и разность потенциалов в 1 вольт соответствуют 1 джоулю на кулон заряда.

В случае разомкнутой цепи электрический заряд, который был разделен механизмом, генерирующим ЭДС, создает электрическое поле, противодействующее механизму разделения. Например, химическая реакция в гальваническом элементе останавливается, когда противодействующее электрическое поле на каждом электроде достаточно сильное, чтобы остановить реакции. Более сильное противодействующее поле может обратить реакции вспять в так называемых обратимых ячейках. ^{[31] [32]}

Электрический заряд, который был разделен, создает разность электрических потенциалов , которую (во многих случаях) можно измерить с помощью вольтметра между клеммами устройства, когда оно не подключено к нагрузке. Величина ЭДС для батареи (или другого источника) является значением этого напряжения разомкнутой цепи. Когда батарея заряжается или разряжается, сама ЭДС не может быть измерена напрямую с использованием внешнего напряжения, поскольку часть напряжения теряется внутри источника. ^[27] Однако ее можно вывести из измерения тока и разности потенциалов , при условии, что внутреннее сопротивление уже было измерено: ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}=V_{load}+IR\ .}$

«Разность потенциалов» не то же самое, что «индуцированная ЭДС» (часто называемая «индуцированным напряжением»). Разность потенциалов (разность электрического скалярного потенциала) между двумя точками A и B не зависит от пути, который мы проходим от A до B. Если бы вольтметр всегда измерял разность потенциалов между A и B , то положение вольтметра не имело бы значения. Однако вполне возможно, что измерение вольтметром между точками A и B будет зависеть от положения вольтметра, если присутствует зависящее от времени магнитное поле. Например, рассмотрим бесконечно длинный соленоид , использующий переменный ток для создания переменного потока внутри соленоида. Снаружи соленоида у нас есть два резистора, соединенных в кольцо вокруг соленоида. Резистор слева имеет сопротивление 100 Ом, а справа — 200 Ом, они соединены сверху и снизу в точках A и B. Индуцированное напряжение, согласно закону Фарадея , равно , поэтому ток Таким образом, напряжение на резисторе 100 Ом равно , а напряжение на резисторе 200 Ом равно , однако оба резистора соединены с обоих концов, но измеренное вольтметром слева от соленоида значение отличается от измеренного вольтметром справа от соленоида. ^{[33] [34]} ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle I=V/(100+200).}$ ${\displaystyle 100\ I}$ ${\displaystyle 200\ I}$ ${\displaystyle V_{AB}}$ ${\displaystyle V_{AB}}$

Поколение

Химические источники

Типичный путь реакции требует, чтобы исходные реагенты пересекали энергетический барьер, входили в промежуточное состояние и, наконец, появлялись в конфигурации с более низкой энергией. Если задействовано разделение зарядов, эта разница в энергии может привести к возникновению ЭДС. См. Bergmann et al. ^[35] и Transition state .

Гальванический элемент с использованием солевого мостика

Вопрос о том, как батареи (гальванические элементы) генерируют ЭДС, занимал ученых большую часть XIX века. «Местоположение электродвижущей силы» было окончательно определено в 1889 году Вальтером Нернстом ^[36] и находилось в первую очередь на границах между электродами и электролитом . ^[16]

Атомы в молекулах или твердых телах удерживаются вместе химической связью , которая стабилизирует молекулу или твердое тело (т. е. снижает его энергию ). Когда молекулы или твердые тела с относительно высокой энергией собираются вместе, может произойти спонтанная химическая реакция, которая перестраивает связь и снижает (свободную) энергию системы. ^[37] В батареях сопряженные полуреакции, часто с участием металлов и их ионов, происходят в тандеме, с получением электронов (называемым «восстановлением») одним проводящим электродом и потерей электронов (называемым «окислением») другим (восстановительно-окислительные или окислительно-восстановительные реакции ). Спонтанная общая реакция может произойти только в том случае, если электроны движутся по внешнему проводу между электродами. Выделяемая электрическая энергия является свободной энергией, потерянной системой химической реакции.

Например, ячейка Даниэля состоит из цинкового анода (сборника электронов), который окисляется по мере растворения в растворе сульфата цинка. Растворяющийся цинк оставляет свои электроны на электроде в соответствии с реакцией окисления ( s = твердый электрод; aq = водный раствор):

${\displaystyle \mathrm {Zn_{(s)}\rightarrow Zn_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\ } }$

Электролитом в этой половине элемента является сульфат цинка . Это раствор, содержащий катионы цинка и анионы сульфата с зарядами, которые уравновешиваются нулем. ${\displaystyle \mathrm {Zn} ^{2+}}$ ${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}}$

В другой половине ячейки катионы меди в электролите из сульфата меди движутся к медному катоду, к которому они присоединяются, принимая электроны от медного электрода в результате реакции восстановления:

${\displaystyle \mathrm {Cu_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu_{(s)}\ } }$

что оставляет дефицит электронов на медном катоде. Разница избыточных электронов на аноде и дефицита электронов на катоде создает электрический потенциал между двумя электродами. (Подробное обсуждение микроскопического процесса переноса электронов между электродом и ионами в электролите можно найти в Conway.) ^[38] Электрическая энергия, выделяемая этой реакцией (213 кДж на 65,4 г цинка), может быть в основном обусловлена ​​более слабой связью (меньшей величиной энергии сцепления) цинка на 207 кДж, который заполнил 3d- и 4s-орбитали, по сравнению с медью, которая имеет незаполненную орбиталь, доступную для связывания.

Если катод и анод соединены внешним проводником, электроны проходят через эту внешнюю цепь (лампочка на рисунке), в то время как ионы проходят через солевой мостик , чтобы поддерживать баланс заряда, пока анод и катод не достигнут электрического равновесия в ноль вольт, поскольку химическое равновесие достигается в ячейке. В процессе цинковый анод растворяется, а медный электрод покрывается медью. ^[39] Солевой мостик должен замыкать электрическую цепь, не давая ионам меди перемещаться к цинковому электроду и восстанавливаться там, не создавая внешнего тока. Он сделан не из соли, а из материала, способного отводить катионы и анионы (диссоциированная соль) в растворы. Поток положительно заряженных катионов по мостику эквивалентен такому же количеству отрицательных зарядов, текущих в противоположном направлении.

Если лампочку вынуть (разомкнуть цепь), то ЭДС между электродами будет противодействовать электрическому полю, возникающему из-за разделения зарядов, и реакции прекратятся.

Для этой конкретной химии ячейки при 298 К (комнатная температура) ЭДС = 1,0934 В с температурным коэффициентом  = −4,53×10 ⁻⁴ В/К. ^[25] ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle d{\mathcal {E}}/dT}$

Гальванические элементы

Вольта разработал гальванический элемент около 1792 года и представил свою работу 20 марта 1800 года. ^[40] Вольта правильно определил роль разнородных электродов в создании напряжения, но неправильно исключил любую роль электролита. ^[41] Вольта расположил металлы в «ряду напряжений», «то есть в таком порядке, что любой в списке становится положительным при контакте с любым последующим, но отрицательным при контакте с любым предшествующим». ^[42] Типичное символическое соглашение в схеме этой цепи ( – | | – ) будет иметь длинный электрод 1 и короткий электрод 2, чтобы указать, что электрод 1 доминирует. Закон Вольты о противоположных ЭДС электродов подразумевает, что при наличии десяти электродов (например, цинка и девяти других материалов) можно создать 45 уникальных комбинаций гальванических элементов (10 × 9/2).

Типичные значения

Электродвижущая сила, вырабатываемая первичными (одноразовыми) и вторичными (перезаряжаемыми) элементами, обычно имеет порядок нескольких вольт. Приведенные ниже цифры являются номинальными, поскольку ЭДС изменяется в зависимости от величины нагрузки и степени истощения элемента.

Другие химические источники

Другие химические источники включают топливные элементы .

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — это создание циркулирующего электрического поля магнитным полем, зависящим от времени. Зависимое от времени магнитное поле может быть создано либо движением магнита относительно цепи, либо движением цепи относительно другой цепи (по крайней мере одна из них должна проводить электрический ток), либо изменением электрического тока в фиксированной цепи. Эффект изменения электрического тока на саму цепь называется самоиндукцией; эффект на другую цепь называется взаимной индукцией .

Для данной цепи электромагнитно-индуцированная ЭДС определяется исключительно скоростью изменения магнитного потока через цепь в соответствии с законом индукции Фарадея .

ЭДС индуцируется в катушке или проводнике всякий раз, когда происходит изменение потокосцеплений . В зависимости от способа, которым происходят изменения, существует два типа: Когда проводник перемещается в стационарном магнитном поле для изменения потокосцепления, ЭДС индуцируется статически . Электродвижущая сила, создаваемая движением, часто называется двигательной ЭДС . Когда изменение потокосцепления возникает из-за изменения магнитного поля вокруг неподвижного проводника, ЭДС индуцируется динамически. Электродвижущая сила, создаваемая изменяющимся во времени магнитным полем, часто называется трансформаторной ЭДС .

Контактные потенциалы

Когда твердые тела из двух разных материалов находятся в контакте, термодинамическое равновесие требует, чтобы одно из твердых тел приняло более высокий электрический потенциал, чем другое. Это называется контактным потенциалом . ^[43] Разнородные металлы в контакте создают то, что также известно как контактная электродвижущая сила или потенциал Гальвани . Величина этой разности потенциалов часто выражается как разность уровней Ферми в двух твердых телах, когда они находятся в состоянии зарядовой нейтральности, где уровень Ферми (название химического потенциала электронной системы ^{[44] [45]} ) описывает энергию, необходимую для удаления электрона из тела в некоторую общую точку (например, землю). ^[46] Если есть энергетическое преимущество при перемещении электрона из одного тела в другое, такой перенос произойдет. Перенос вызывает разделение зарядов, при этом одно тело приобретает электроны, а другое теряет электроны. Этот перенос заряда вызывает разность потенциалов между телами, которая частично отменяет потенциал, возникающий при контакте, и в конечном итоге достигается равновесие. При термодинамическом равновесии уровни Ферми равны (энергия удаления электронов одинакова), и теперь между телами существует встроенный электростатический потенциал. Первоначальная разница в уровнях Ферми до контакта называется ЭДС. ^[47] Контактный потенциал не может управлять постоянным током через нагрузку, подключенную к его клеммам, поскольку этот ток будет включать перенос заряда. Не существует механизма для продолжения такого переноса и, следовательно, поддержания тока после достижения равновесия.

Можно спросить, почему контактный потенциал не появляется в законе напряжений Кирхгофа как один из вкладов в сумму падений потенциала. Обычный ответ заключается в том, что любая цепь включает в себя не только конкретный диод или соединение, но также все контактные потенциалы из-за проводки и т. д. по всей цепи. Сумма всех контактных потенциалов равна нулю, и поэтому они могут быть проигнорированы в законе Кирхгофа. ^{[48] [49]}

Солнечная батарея

Эквивалентная схема солнечного элемента без учета паразитных сопротивлений.

Работа солнечного элемента может быть понята из его эквивалентной схемы . Фотоны с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, создают подвижные пары электрон-дырка . Разделение заряда происходит из-за уже существующего электрического поля, связанного с pn-переходом . Это электрическое поле создается из встроенного потенциала , который возникает из-за контактного потенциала между двумя различными материалами в переходе. Разделение заряда между положительными дырками и отрицательными электронами через p–n-диод дает прямое напряжение , фотонапряжение , между освещенными клеммами диода, ^[50], которое управляет током через любую присоединенную нагрузку. Фотонапряжение иногда называют фотоэдс , различая следствие и причину.

Соотношение тока и напряжения солнечного элемента

Две внутренние потери тока ограничивают общий ток, доступный внешней цепи. Светоиндуцированное разделение заряда в конечном итоге создает прямой ток через внутреннее сопротивление ячейки в направлении, противоположном светоиндуцированному току . Кроме того, индуцированное напряжение имеет тенденцию смещать переход в прямом направлении, что при достаточно высоком напряжении вызовет рекомбинационный ток в диоде, противоположный светоиндуцированному току. ${\displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{SH}}$ ${\displaystyle R_{SH}}$ ${\displaystyle I_{L}}$ ${\displaystyle I_{D}}$

Когда выход закорочен, выходное напряжение обнуляется, и поэтому напряжение на диоде наименьшее. Таким образом, закорочение приводит к наименьшим потерям и, следовательно, к максимальному выходному току, который для высококачественного солнечного элемента приблизительно равен току, индуцированному светом . ^[51] Примерно такой же ток получается для прямых напряжений вплоть до точки, где проводимость диода становится значительной. ${\displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ ${\displaystyle I_{L}}$

Ток, подаваемый светящимся диодом во внешнюю цепь, можно упростить (исходя из определенных допущений) до:

${\displaystyle I=I_{L}-I_{0}\left(e^{\frac {V}{m\ V_{\mathrm {T} }}}-1\right)\ .}$

${\displaystyle I_{0}}$— обратный ток насыщения . Два параметра, которые зависят от конструкции солнечного элемента и в некоторой степени от самого напряжения, — это фактор идеальности m и тепловое напряжение , которое составляет около 26 милливольт при комнатной температуре . ^[51] ${\displaystyle V_{\mathrm {T} }={\tfrac {kT}{q}}}$

Фотоэлектродвижущая сила солнечного элемента

Выходное напряжение солнечного элемента для двух светоиндуцированных токов I _L выражено как отношение к обратному току насыщения I ₀ ^[52] и с использованием фиксированного коэффициента идеальности m, равного 2. ^[53] Их ЭДС представляет собой напряжение в точке пересечения с осью y.

Решение приведенного выше упрощенного соотношения тока и напряжения для светодиода с подсветкой дает:

${\displaystyle V=m\ V_{\mathrm {T} }\ln \left({\frac {I_{\text{L}}-I}{I_{0}}}+1\right)\ ,}$

что и отображено на рисунке. ${\displaystyle I/I_{0}}$

Фотоэдс солнечного элемента имеет то же значение, что и напряжение холостого хода , которое определяется путем обнуления выходного тока : ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {photo} }}$ ${\displaystyle V_{oc}}$ ${\displaystyle I}$

${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {photo} }=V_{\text{oc}}=m\ V_{\mathrm {T} }\ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right)\ .}$

Он имеет логарифмическую зависимость от тока, индуцированного светом , и находится там, где прямое смещение напряжения перехода достаточно, чтобы прямой ток полностью уравновешивал ток, индуцированный светом. Для кремниевых переходов оно обычно не намного больше 0,5 вольт. ^[54] В то время как для высококачественных кремниевых панелей оно может превышать 0,7 вольт под прямыми солнечными лучами. ^[55] ${\displaystyle I_{L}}$

При управлении резистивной нагрузкой выходное напряжение можно определить с помощью закона Ома , и оно будет лежать между значением короткого замыкания в ноль вольт и напряжением разомкнутой цепи . ^[56] Когда это сопротивление достаточно мало, так что (почти вертикальная часть двух проиллюстрированных кривых), солнечный элемент действует скорее как генератор тока , а не как генератор напряжения, ^[57] поскольку потребляемый ток почти фиксирован в диапазоне выходных напряжений. Это контрастирует с батареями, которые действуют скорее как генераторы напряжения. ${\displaystyle V_{oc}}$ ${\displaystyle I\approx I_{L}}$

Другие источники, генерирующие ЭДС

• Трансформатор , соединяющий две цепи, можно считать источником ЭДС для одной из цепей, как если бы она создавалась электрическим генератором; отсюда и происходит термин «ЭДС трансформатора».
• Для преобразования звуковых волн в сигналы напряжения :
  • микрофон генерирует ЭДС от движущейся диафрагмы .
  • Магнитный датчик генерирует ЭДС из переменного магнитного поля, создаваемого инструментом.
  • пьезоэлектрический датчик генерирует ЭДС за счет деформации пьезоэлектрического кристалла .
• Устройства, использующие температуру для создания ЭДС, включают термопары и термобатареи . ^[58]
• Любой электрический преобразователь , преобразующий физическую энергию в электрическую.

Смотрите также

• Противоэлектродвижущая сила
• Электрическая батарея
• Электрохимическая ячейка
• Электролитическая ячейка
• Гальванический элемент
• Вольтов столб

Ссылки

1. "EMF". Американский словарь наследия английского языка, 3-е изд . Houghton Mifflin. 1992.
2. "EMF" . Оксфордский словарь английского языка .
3. Tipler, Paul A. (январь 1976). Физика. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Worth Publishers, Inc. стр. 803. ISBN 978-0-87901-041-6.
4. Стюарт, Джозеф В. (2001). Промежуточная электромагнитная теория . Singapore River Edge, NJ: World Scientific. стр. 389. ISBN 978-981-02-4470-5. OCLC  47127179.
5. Мэтьюз, Майкл Р. (2014-07-03). Международный справочник по исследованиям в области истории, философии и преподавания естественных наук. Springer. стр. 142. ISBN 978-94-007-7654-8. [Вольта] утверждал, что на заряды действует новый тип «силы», разделяющий и удерживающий их раздельными, и он назвал это действие электродвижущей силой, название, которое применяется и поныне.
6. "IEC 60050 - Международный электротехнический словарь - Подробности для номера IEV 131-12-22: "напряжение источника"". www.electropedia.org . Получено 2022-12-19 .
7. "IEC 80000-6:2022". Международная организация по стандартизации . Получено 2022-12-19 .
8. Ленгмюр, Ирвинг (1916). «Связь между контактными потенциалами и электрохимическим действием». Труды Американского электрохимического общества . 29. Общество: 175.
9. Кук, Дэвид М. (2003). Теория электромагнитного поля. Courier Dover. стр. 157. ISBN 978-0-486-42567-2.
10. Лернер, Лоуренс М. (1997). Физика для ученых и инженеров. Jones & Bartlett Publishers. С. 724–727. ISBN 978-0-7637-0460-5.
11. Типлер, Пол А.; Моска, Джин (2007). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Macmillan. стр. 850. ISBN 978-1-4292-0124-7.
12. Halpern, Alvin M.; Erlbach, Erich (1998). Очерк Шаума о теории и проблемах начальной физики II. McGraw-Hill Professional. стр. 138. ISBN 978-0-07-025707-8.
13. Лерман, Роберт Л. (1998). Физика легкий путь . Образовательная серия Баррона. стр. 274. ISBN 978-0-7641-0236-3. ЭДС разделенный заряд реакция потенциал.
14. Сингх, Конгбам Чандрамани (2009). "§3.16 ЭДС источника". Основы физики . Prentice Hall India. стр. 152. ISBN 978-81-203-3708-4.
15. Вольта, Алессандро (1801). «Гальваническое электричество». Анналы де Химье . Ше Фукс, Париж.
16. Cajori, Florian (1899). История физики в ее элементарных разделах: включая эволюцию физических лабораторий. The Macmillan Company. стр. 218–219. местонахождение электродвижущей силы.
17. Валкенбург, Ван (1995). Основное электричество. Cengage Обучение. стр. 1–46. ISBN 978-0-7906-1041-2.
18. Абрахам, М.; Беккер, Р. (1932). Классическая теория электричества и магнетизма. Blackie & Son. С. 116–122.
19. Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Pearson/Addison-Wesley. стр. 293. ISBN 978-0-13-805326-0.
20. Учитывается только электрическое поле, возникающее в результате разделения зарядов, вызванного ЭДС. Хотя солнечный элемент имеет электрическое поле, возникающее в результате контактного потенциала (см. контактные потенциалы и солнечные элементы), эта компонента электрического поля не включена в интеграл. Учитывается только электрическое поле, возникающее в результате разделения зарядов, вызванного энергией фотона.
21. Оленик, Ричард П.; Апостол, Том М.; Гудштейн, Дэвид Л. (1986). За пределами механической вселенной: от электричества к современной физике. Cambridge University Press. стр. 245. ISBN 978-0-521-30430-6.
22. Макдональд, Кирк Т. (2012). "Падение напряжения, разность потенциалов и ЭДС" (PDF) . Примеры физики . Принстонский университет.
23. Фейнман, РП; Лейтон, РБ; Сэндс, М. (1964). Лекции Фейнмана по физике, т. II, гл. 22. Эддисон Уэсли.
24. Кук, Дэвид М. (2003). Теория электромагнитного поля. Courier Dover. стр. 158. ISBN 978-0-486-42567-2.
25. Finn, Colin BP (1992). Тепловая физика. CRC Press. стр. 163. ISBN 978-0-7487-4379-7.
26. Фогель, М. (2002). Базовое электричество. Ассоциация исследований и образования. стр. 76. ISBN 978-0-87891-420-3.
27. Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (2008). Fundamentals of Physics (6-е изд.). Wiley. стр. 638. ISBN 978-0-471-75801-3.
28. Фримен, Роджер Л. (2005). Основы телекоммуникаций (2-е изд.). Wiley. стр. 576. ISBN 978-0-471-71045-5.
29. Крофт, Террелл (1917). Практическое электричество. McGraw-Hill. стр. 533.
30. Лёб, Леонард Б. (2007). Основы электричества и магнетизма (переиздание Wiley 1947 3-е изд.). Читайте книги. стр. 86. ISBN 978-1-4067-0733-5.
31. Warn, JRW; Peters, APH (1996). Concise Chemical Thermodynamics (2-е изд.). CRC Press. стр. 123. ISBN 978-0-7487-4445-9.
32. Glasstone, Samuel (2007). Термодинамика для химиков (переиздание D. Van Nostrand Co (1964) ed.). Читайте книги. стр. 301. ISBN 978-1-4067-7322-4.
33. Shadowitz, Albert (1975). Электромагнитное поле (1-е изд.). McGraw-Hill Book Company. стр. 396–398. ISBN 0-07-056368-3.
34. Макдональд, Кирк Т. (2010). "Парадокс цепи Левина" (PDF) . Примеры физики . Принстонский университет.
35. Риш, Николаус (2002). "Молекулы - связи и реакции". В L Bergmann; et al. (ред.). Составляющие вещества: атомы, молекулы, ядра и частицы . CRC Press. ISBN 978-0-8493-1202-1.
36. Нернст, Уолтер (1889). «Die elektromotorische Wirksamkeit der Ionen». З. Физ. хим. 4 : 129.
37. Отважный читатель может найти обширное обсуждение органической электрохимии в Amatore, Christian (2000). "Основные концепции". В Henning Lund; Ole Hammerich (ред.). Органическая электрохимия (4-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8247-0430-8.
38. Conway, BE (1999). "Энергетические факторы в отношении электродного потенциала". Электрохимические суперконденсаторы . Springer. стр. 37. ISBN 978-0-306-45736-4.
39. Тилли, Р. Дж. Д. (2004). Понимание твердых тел . Wiley. стр. 267. ISBN 978-0-470-85275-0.
40. Моттелэй, Поль Флери (2008). Библиографическая история электричества и магнетизма (переиздание издания 1892 г.). Читайте книги. стр. 247. ISBN 978-1-4437-2844-7.
41. Kragh, Helge (2000). "Confusion and Controversy: Nineteenth-century theories of the voltaic pile" (PDF) . Nuova Voltiana:Studies on Volta and His Times . Università degli studi di Pavia. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-03-20.
42. Камминг, Линнаус (2008). Введение в теорию электричества (переиздание издания 1885 г.). BiblioBazaar. стр. 118. ISBN 978-0-559-20742-6.
43. Тригг, Джордж Л. (1995). Знаменательные эксперименты в физике двадцатого века (Переиздание Crane, Russak & Co 1975 ed.). Courier Dover. стр. 138 и далее . ISBN 978-0-486-28526-9.
44. Rockett, Angus (2007). "Диффузия и дрейф носителей". Материаловедение полупроводников . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer Science. стр. 74 и далее . ISBN 978-0-387-25653-5.
45. Киттель, Чарльз (2004). "Химический потенциал во внешних полях". Elementary Statistical Physics (Переиздание Wiley 1958 ed.). Courier Dover. стр. 67. ISBN 978-0-486-43514-5.
46. Хансон, Джордж У. (2007). Основы наноэлектроники. Prentice Hall. стр. 100. ISBN 978-0-13-195708-4.
47. Сато, Норио (1998). "Полупроводниковые фотоэлектроды". Электрохимия металлических и полупроводниковых электродов (2-е изд.). Elsevier. стр. 110 и далее . ISBN 978-0-444-82806-4.
48. Куимби, Ричард С. (2006). Фотоника и лазеры. Wiley. стр. 176. ISBN 978-0-471-71974-8.
49. Нимен, Дональд А. (2002). Физика полупроводников и приборы (3-е изд.). McGraw-Hill Professional. стр. 240. ISBN 978-0-07-232107-4.
50. Дхир, SM (2000) [1999]. "§3.1 Солнечные элементы". Электронные компоненты и материалы: принципы, производство и обслуживание (пятое переиздание 2007 г.). Индия: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited . стр. 283. ISBN 0-07-463082-2.
51. Araújo, Gerardo L. (1994). "§2.5.1 Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода". В Eduardo Lorenzo (ред.). Солнечная Электричество: Проектирование фотоэлектрических систем . Progenza для Политехнического Университета Мадрида. стр. 74. ISBN 978-84-86505-55-4.
52. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных элементов. Imperial College Press. стр. 8. ISBN 978-1-86094-349-2.
53. На практике при низких напряжениях m  → 2, тогда как при высоких напряжениях m  → 1. См. Араужо, цит. ISBN 84-86505-55-0 . стр. 72 
54. Нортроп, Роберт Б. (2005). "§6.3.2 Фотоэлектрические элементы". Введение в приборы и измерения . CRC Press. стр. 176. ISBN 978-0-8493-7898-0.
55. «Напряжение холостого хода».
56. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных элементов. Imperial College Press. стр. 6. ISBN 978-1-86094-349-2.
57. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных элементов. Imperial College Press. стр. 7. ISBN 978-1-86094-349-2.
58. Джон С. Ригден, ред. (1996). Энциклопедия физики Макмиллана . Нью-Йорк: Macmillan.

Дальнейшее чтение

• Джордж Ф. Баркер, «Об измерении электродвижущей силы». Труды Американского философского общества, проведенные в Филадельфии для содействия полезным знаниям, Американское философское общество. 19 января 1883 г.
• Эндрю Грей, «Абсолютные измерения в электричестве и магнетизме», Электродвижущая сила. Macmillan and co., 1884.
• Чарльз Альберт Перкинс, «Очерки электричества и магнетизма», Измерение электродвижущей силы. Генри Холт и компания, 1896.
• Джон Ливингстон Ратгерс Морган, «Элементы физической химии», Электродвижущая сила. J. Wiley, 1899.
• "Abhandlungen zur Thermodynamik, von H. Helmholtz. Hrsg. von Max Planck". (Тр. «Статьи по термодинамике, о Г. Гельмгольце. Хрсг. Макса Планка».) Лейпциг, В. Энгельман, Оствальд, классический автор серии точных наук. Новое следствие. № 124, 1902 г.
• Теодор Уильям Ричардс и Густав Эдвард Бер-младший, «Электродвижущая сила железа при различных условиях и влияние окклюдированного водорода». Серия публикаций Института Карнеги в Вашингтоне, 1906. LCCN  07-3935
• Генри С. Кархарт, «Термоэлектродвижущая сила в электрических элементах, термоэлектродвижущая сила между металлом и раствором одной из его солей». Нью-Йорк, компания D. Van Nostrand, 1920. LCCN  20-20413
• Хейзел Россотти , «Химические применения потенциометрии». Лондон, Принстон, Нью-Джерси, Van Nostrand, 1969. ISBN 0-442-07048-9 LCCN  69-11985 
• Набенду С. Чоудхури, 1973. «Измерения электродвижущей силы в ячейках с твердым электролитом на основе бета-оксида алюминия». Техническая записка НАСА, D-7322.
• Джон О'М. Бокрис; Амуля К.Н. Редди (1973). «Электрохимия». Современная электрохимия: Введение в междисциплинарную область (2-е изд.). Springer. ISBN 978-0-306-25002-6.
• Робертс, Дана (1983). «Как работают батареи: гравитационный аналог». Am. J. Phys . 51 (9): 829. Bibcode : 1983AmJPh..51..829R. doi : 10.1119/1.13128.
• GW Burns и др., «Справочные функции и таблицы зависимости температуры от электродвижущей силы для типов термопар с буквенным обозначением на основе ITS-90». Гейтерсберг, Мэриленд: Министерство торговли США, Национальный институт стандартов и технологий, Вашингтон, Supt. of Docs., USGPO, 1993.
• Норио Сато (1998). "Полупроводниковые фотоэлектроды". Электрохимия металлических и полупроводниковых электродов (2-е изд.). Elsevier. стр. 326 и далее . ISBN 978-0-444-82806-4.
• Хай, Фам Нам; Ойя, Синобу; Танака, Масааки; Барнс, Стюарт Э.; Маэкава, Садамичи (8 марта 2009 г.). «Электродвижущая сила и огромное магнитосопротивление в магнитных туннельных переходах». Природа . 458 (7237): 489–92. Бибкод : 2009Natur.458..489H. дои : 10.1038/nature07879. PMID  19270681. S2CID  4320209.