Электродвижущая сила

Электрическое действие, производимое неэлектрическим источником

В электромагнетизме и электронике электродвижущая сила (также электродвижущая сила , сокращенно ЭДС , ^{[1] [2]} обозначается или ^{[ нужна ссылка} ]) — это передача энергии ^в электрическую цепь на единицу электрического заряда , измеряемую в вольтах . Устройства, называемые электрическими преобразователями , создают ЭДС ^[3] путем преобразования других форм энергии в электрическую . ^[3] Другое электрооборудование также производит ЭДС, например, батареи , преобразующие химическую энергию , и генераторы , преобразующие механическую энергию . ^[4] Это преобразование энергии достигается за счет физических сил , совершающих физическую работу над электрическими зарядами . Однако электродвижущая сила сама по себе не является физической силой, ^[5] и стандарты ISO / IEC отказались от этого термина в пользу напряжения источника или напряжения источника (обозначено ). ^{[6] [7]} ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle {\xi }}$ ${\displaystyle U_{s}}$

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

В электромагнитной индукции ЭДС вокруг замкнутого контура проводника можно определить как электромагнитную работу , которая будет совершена над элементарным электрическим зарядом (таким как электрон ), если он пройдет один раз по контуру. ^[9]

Для двухконтактных устройств, смоделированных как эквивалентная схема Тевенена , эквивалентная ЭДС может быть измерена как напряжение холостого хода между двумя клеммами. Эта ЭДС может создавать электрический ток, если к клеммам подключена внешняя цепь , и в этом случае устройство становится источником напряжения этой цепи.

Хотя ЭДС порождает напряжение и может быть измерена как напряжение и иногда неофициально называется «напряжением», это не одно и то же явление (см. § Различие в разности потенциалов).

Обзор

Устройства, которые могут создавать ЭДС, включают электрохимические элементы , термоэлектрические устройства , солнечные элементы , фотодиоды , электрические генераторы , катушки индуктивности , трансформаторы и даже генераторы Ван де Граафа . ^{[10] [11]} В природе ЭДС генерируется, когда флуктуации 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, осуществляется за счет химических реакций на электродах , которые преобразуют химическую потенциальную энергию в потенциальную электромагнитную энергию. ^{[12] [13]} Гальванический элемент можно рассматривать как имеющий «зарядовой 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 совершает работу над этим зарядом, перемещая его к клемме с высоким потенциалом. ЭДС источника определяется как работа, совершаемая на один 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 перетекают от одного терминала к другому, 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 вызвать ток. Общим принципом, регулирующим ЭДС в таких электрических машинах, является закон индукции Фарадея .

История

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

Около 1830 года Майкл Фарадей установил, что химические реакции на каждой из двух границ раздела электрод-электролит обеспечивают «место действия ЭДС» гальванического элемента. То есть эти реакции движут ток, а не являются бесконечным источником энергии, как считалось ранее устаревшей теорией . ^[16] В случае разомкнутой цепи разделение зарядов продолжается до тех пор, пока электрическое поле разделенных зарядов не станет достаточным для остановки реакций. Несколькими годами ранее Алессандро Вольта , измерявший контактную разность потенциалов на границе раздела металл-металл (электрод-электрод) своих клеток, придерживался неправильного мнения, что только контакт (без учета химической реакции) является источником ЭДС. .

Обозначения и единицы измерения

Электродвижущая сила часто обозначается или ℰ . ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

В устройстве без внутреннего сопротивления , если электрический заряд , проходящий через это устройство, получает энергию в результате работы, чистая ЭДС для этого устройства равна энергии, полученной на единицу заряда: Как и другие меры энергии на заряд, ЭДС использует единицу измерения в системе СИ . что эквивалентно джоулю (единице энергии СИ) на кулон (единице заряда СИ). ^[17] ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle W}$ ${\textstyle {\tfrac {W}{Q}}.}$

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

Формальные определения

Внутри источника ЭДС (например, батареи), который находится в разомкнутой цепи, происходит разделение заряда между отрицательной клеммой N и положительной клеммой P. Это приводит к образованию электростатического поля , направленного от P к N , тогда как ЭДС источника должна быть способна пропускать ток от N к P при подключении к цепи. Это побудило Макса Абрахама ^[18] ввести понятие неэлектростатического поля , существующего только внутри источника ЭДС. В случае разомкнутой цепи , а при включении источника в цепь электрическое поле внутри источника меняется, но остается по существу тем же. В случае разомкнутой цепи консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением заряда, точно нейтрализует 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, создаваемое разделением зарядов, связанное с ЭДС, — элемент пути от терминала N к терминалу P , ' ' обозначает векторное скалярное произведение и является электрическим скалярным потенциалом. ^[20] Эта ЭДС представляет собой работу, совершаемую над единицей заряда 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 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 пути в присутствии переменного магнитного поля интеграл электрического поля вокруг (стационарного) замкнутого контура может быть отличным от нуля. 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 , и – 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 пути, равна нулю, см. закон напряжения Кирхгофа , который действует до тех пор, пока поскольку элементы схемы остаются в покое и излучение не учитывается ^[22] ). То есть «индуцированная ЭДС» (как и ЭДС батареи, подключенной к нагрузке) не является «напряжением» в смысле разницы электрического скалярного потенциала. ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \Phi _{C}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {A}}}$

Если петля представляет собой проводник, по которому протекает ток в направлении интегрирования вокруг петли, и магнитный поток возникает благодаря этому току, мы имеем , где – собственная индуктивность петли. Если, кроме того, петля включает в себя катушку, простирающуюся от точки 1 до 2, так что магнитный поток в основном локализован в этой области, то об этой области принято говорить как об индукторе и считать, что ее ЭДС локализована в этот регион. Затем мы можем рассмотреть другую петлю , состоящую из свернутого проводника от 1 до 2 и воображаемой линии, проходящей по центру катушки от 2 обратно к 1. Магнитный поток и ЭДС в петле по существу такие же, как и в этой петле. в цикле : ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle \Phi _{B}=LI}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle C}$

$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{C}={\mathcal {E}}_{C'}=-{\frac {d\Phi _{C'}}{dt}}=-L{\frac {dI}{dt}}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ .}$$

Для хорошего проводника пренебрежимо мало, поэтому мы имеем, в хорошем приближении, ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }}$

$${\displaystyle L{\frac {dI}{dt}}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=V_{1}-V_{2}\ ,}$$

${\displaystyle V}$

Таким образом, мы можем связать эффективное «падение напряжения» с индуктором (хотя наше основное понимание ЭДС индукции основано на векторном потенциале, а не на скалярном потенциале) 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 наведенная ЭДС не считается ЭДС источника. ^[23]

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

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

это главным образом концептуальное уравнение, потому что определение «действующих сил» затруднено. Этот термин часто называют «ЭДС движения». ${\displaystyle \oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

В (электрохимической) термодинамике

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

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

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 приведенное выше соотношение создает соотношение Максвелла , которое связывает изменение напряжения открытой ячейки с температурой (измеримая величина) с изменением энтропии при изотермическом и изобарном прохождении заряда . Последнее тесно связано с реакционной энтропией электрохимической реакции, которая придает батарее энергию. 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 во внешней цепи составит:

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

где – число электронов на ион, – постоянная Фарадея , а знак минус указывает на разряд ячейки. Предполагая постоянные давление и объем, термодинамические свойства ячейки строго связаны с поведением ее ЭДС следующим образом: ^[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 . Все величины справа поддаются непосредственному измерению. Предполагая постоянные температуру и давление: ${\displaystyle \Delta H}$

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

которое используется при выводе уравнения Нернста .

Различие с разностью потенциалов

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

• Разность потенциалов — это более общий термин, включающий ЭДС.
• ЭДС является причиной 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, а только источник напряжения:
  • В цепи, использующей аккумуляторный источник, ЭДС возникает исключительно за счет химических сил в аккумуляторе.
  • В цепи, использующей электрический генератор, ЭДС возникает исключительно из-за изменяющихся во времени магнитных сил внутри генератора.
• ЭДС в 1 вольт и разность потенциалов в 1 вольт соответствуют 1 джоулю на кулон заряда.

В случае разомкнутой цепи электрический заряд, разделенный механизмом, создающим ЭДС, создает электрическое поле, противодействующее механизму разделения. Например, химическая реакция в гальваническом элементе прекращается, когда противоположное электрическое поле на каждом электроде становится достаточно сильным, чтобы остановить реакцию. Более мощное противоположное поле может обратить вспять реакции в так называемых обратимых клетках. ^{[31] [32]}

Выделенный электрический заряд создает разность электрических потенциалов , которую (во многих случаях) можно измерить с помощью вольтметра между клеммами устройства, когда оно не подключено к нагрузке. Величина ЭДС аккумулятора (или другого источника) равна значению этого напряжения холостого хода. Когда батарея заряжается или разряжается, сама ЭДС не может быть измерена напрямую с использованием внешнего напряжения, поскольку некоторая часть напряжения теряется внутри источника. ^[27] Однако это можно сделать из измерения тока и разности потенциалов при условии, что внутреннее сопротивление уже измерено: ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}=V+IR\ .}$

«Разница потенциалов» — это не то же самое, что «индуцированная ЭДС» (часто называемая «индуцированное напряжение»). Разность потенциалов (разница электрического скалярного потенциала) между двумя точками A и B не зависит от пути, который мы идем от A до B. Если бы вольтметр всегда измерял разность потенциалов между A и B , то положение вольтметра не имело бы никакого значения. Однако вполне возможно, что измерение вольтметром между точками А и В 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 — 100 Ом, а справа — 200 Ом, они соединены сверху и снизу в точках A и B. Индуцированное напряжение по закону Фарадея равно , поэтому ток. Следовательно, напряжение на резисторе 100 Ом равно, а напряжение на резисторе 200 Ом равно , однако два резистора подключены на обоих концах, но измеряются вольтметром слева. Соленоида не совпадает с измеренным 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 пересекли энергетический барьер, вошли в промежуточное состояние и, наконец, вышли в конфигурации с более низкой энергией. Если происходит разделение зарядов, эта разница энергий может привести к возникновению ЭДС. См. Бергманн и др. ^[35] и Переходное состояние .

Гальванический элемент с использованием солевого мостика

Вопрос о том, как батареи (гальванические элементы) генерируют ЭДС, занимал ученых большую часть XIX века. В конечном итоге в 1889 году Вальтер Нернст ^[36] определил, что «место нахождения электродвижущей силы» находится главным образом на границе раздела между электродами и электролитом . ^[16]

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

Например, ячейка Даниэля состоит из цинкового анода (коллектора электронов), который окисляется при растворении в растворе сульфата цинка. Растворяющийся цинк оставляет свои электроны на электроде в результате реакции окисления ( s = твердый электрод; aq = водный раствор):

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

Сульфат цинка является электролитом в этой полуэлементе. Это раствор, содержащий катионы цинка и сульфат-анионы , заряды которых уравновешиваются до нуля. ${\displaystyle \mathrm {Zn} ^{2+}}$ ${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}}$

В другой полуячейке катионы меди в электролите из сульфата меди перемещаются к медному катоду, к которому они прикрепляются, забирая 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 у Конвея.) ^[38] Электрическую энергию, выделяемую в результате этой реакции (213 кДж на 65,4 г цинка), можно отнести главным образом к из-за более слабой на 207 кДж связи (меньшей величины энергии сцепления) цинка, заполнившего 3d- и 4s-орбитали, по сравнению с медью, имеющей незаполненную орбиталь, доступную для связывания.

Если катод и анод соединены внешним проводником, электроны проходят через эту внешнюю цепь (лампочка на рисунке), а ионы проходят через солевой мостик для поддержания баланса зарядов до тех пор, пока анод и катод не достигнут электрического равновесия с нулевым напряжением в качестве химического равновесия. достигается в клетке. При этом цинковый анод растворяется, а медный электрод покрывается медью. ^[39] Солевой мостик должен замыкать электрическую цепь, не позволяя ионам меди перемещаться к цинковому электроду и восстанавливаться там без генерации внешнего тока. Он сделан не из соли, а из материала, способного впитывать в растворы катионы и анионы (диссоциированные соли). Поток положительно заряженных катионов по мостику эквивалентен такому же количеству отрицательных зарядов, течению в противоположном направлении.

Если лампочку вынуть (разомкнуть цепь), ЭДС между электродами противодействует электрическому полю из-за разделения зарядов, и реакции прекращаются.

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

Вольтовы элементы

Вольта разработал гальванический элемент около 1792 года и представил свою работу 20 марта 1800 года. ^[40] Вольта правильно определил роль разнородных электродов в производстве напряжения, но ошибочно отверг какую-либо роль электролита. ^[41] Вольта расположил металлы в «напряженном ряду», «то есть в таком порядке, что любой в списке становится положительным при контакте с любым последующим, но отрицательным при контакте с любым, который ему предшествует. ." ^[42] Типичное условное обозначение на схеме этой схемы ( – | | – ) предполагает наличие длинного электрода 1 и короткого электрода 2, чтобы указать, что электрод 1 доминирует. Закон Вольта об ЭДС противоположного электрода 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, создаваемая первичными (одноразовыми) и вторичными (перезаряжаемыми) элементами, обычно составляет порядка нескольких вольт. Приведенные ниже цифры являются номинальными, поскольку ЭДС варьируется в зависимости от размера нагрузки и состояния истощения элемента.

Другие химические источники

Другие химические источники включают топливные элементы .

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — это создание циркулирующего электрического поля зависящим от времени магнитным полем. Зависящее от времени магнитное поле может быть создано либо движением магнита относительно цепи, либо движением цепи относительно другой цепи (по крайней мере, в одной из них должен течь электрический ток), либо изменением электрического тока в цепи. фиксированный контур. Влияние изменения электрического тока на саму цепь известно как самоиндукция; воздействие на другую цепь известно как взаимная индукция .

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

ЭДС индуцируется в катушке или проводнике всякий раз, когда происходит изменение потокосцеплений . В зависимости от того, каким образом происходят изменения, существует два типа: Когда проводник перемещается в стационарном магнитном поле, чтобы обеспечить изменение потокосцепления, ЭДС индуцируется статически . Электродвижущую силу, создаваемую движением, часто называют ЭДС движения . Когда изменение потокосцепления возникает в результате изменения магнитного поля вокруг неподвижного проводника, ЭДС индуцируется динамически. Электродвижущая сила, создаваемая изменяющимся во времени магнитным полем, часто называется ЭДС трансформатора .

Контактные потенциалы

Когда твердые тела двух разных материалов находятся в контакте, термодинамическое равновесие требует, чтобы одно из твердых тел имело более высокий электрический потенциал, чем другое. Это называется контактным потенциалом . ^[43] Разнородные металлы при контакте создают так называемую контактную электродвижущую силу или потенциал Гальвани . Величина этой разности потенциалов часто выражается как разница уровней Ферми в двух твердых телах, когда они находятся в зарядовой нейтральности, где уровень Ферми (название химического потенциала электронной системы ^{[44] [45]} ) описывает энергия, необходимая для удаления электрона из тела в некоторую общую точку (например, землю). ^[46] Если при переносе электрона из одного тела в другое есть энергетическое преимущество, такой перенос произойдет. Перенос вызывает разделение зарядов: одно тело приобретает электроны, а другое теряет электроны. Этот перенос заряда вызывает разность потенциалов между телами, которая частично компенсирует потенциал, возникающий при контакте, и в конечном итоге достигается равновесие. В термодинамическом равновесии уровни Ферми равны (энергия удаления электронов одинакова), и теперь между телами существует встроенный электростатический потенциал. Исходная разница уровней Ферми до контакта называется ЭДС. ^[47] Контактный потенциал не может пропускать постоянный ток через нагрузку, подключенную к его клеммам, поскольку этот ток будет включать перенос заряда. Не существует механизма, позволяющего продолжать такую ​​передачу и, следовательно, поддерживать ток после достижения равновесия.

Можно задаться вопросом, почему контактный потенциал не фигурирует в законе напряжений Кирхгофа как один из вкладов в сумму падений потенциала. Привычный ответ заключается в том, что любая цепь включает в себя не только конкретный диод или переход, но также все контактные потенциалы, возникающие в результате проводки и так далее по всей цепи. Сумма всех контактных потенциалов равна нулю, поэтому в законе Кирхгофа ими можно пренебречь. ^{[48] ​​[49]}

Солнечная батарея

Эквивалентная схема солнечного элемента без учета паразитных сопротивлений.

Работу солнечного элемента можно понять из его эквивалентной схемы . Фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, создают подвижные электрон-дырочные пары . Разделение зарядов происходит из-за уже существующего электрического поля, связанного с pn-переходом . Это электрическое поле создается за счет встроенного потенциала , который возникает в результате контактного потенциала между двумя разными материалами в соединении. Разделение зарядов между положительными дырками и отрицательными электронами на p-n-диоде создает прямое напряжение , фотонапряжение , между освещенными выводами диода, ^[50] которое пропускает ток через любую подключенную нагрузку. Фотонапряжение иногда называют фото-ЭДС , различая следствие и причину.

Зависимость тока и напряжения солнечного элемента

Две внутренние потери тока ограничивают общий ток , подаваемый во внешнюю цепь. Светоиндуцированное разделение зарядов в конечном итоге создает прямой ток через внутреннее сопротивление ячейки в направлении, противоположном светоиндуцированному току . Кроме того, индуцированное напряжение имеет тенденцию смещать переход вперед , что при достаточно высоких напряжениях вызовет в диоде рекомбинационный ток, 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, поэтому напряжение на диоде наименьшее. Таким образом, короткое замыкание приводит к наименьшим потерям и, следовательно, к максимальному выходному току, который для качественного солнечного элемента примерно равен светоиндуцированному току . ^[51] Примерно такой же ток получается для прямых напряжений до момента, когда проводимость диода становится значительной. ${\displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ ${\displaystyle I_{L}}$

Ток, подаваемый светящимся диодом во внешнюю цепь, можно упростить (при определенных допущениях):

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

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

Фото-ЭДС солнечного элемента

Выходное напряжение солнечного элемента для двух светоиндуцированных токов I _L выражается как отношение к обратному току насыщения I ₀ ^[52] и с использованием фиксированного коэффициента идеальности m , равного 2. ^[53] Их ЭДС представляет собой напряжение на пересечении их оси y. .

Решение приведенной выше упрощенной зависимости тока от напряжения освещенного диода для выходного напряжения дает:

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

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

Фото-ЭДС солнечного элемента имеет то же значение, что и напряжение холостого хода , которое определяется обнулением 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 светоиндуцированного тока , и здесь напряжения прямого смещения перехода достаточно, чтобы прямой ток полностью уравновешивал светоиндуцированный ток. Для кремниевых переходов оно обычно не превышает 0,5 В. ^[54] А у высококачественных кремниевых панелей оно может превышать 0,7 В 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, равным нулю вольт, и напряжением холостого хода . ^[56] Когда это сопротивление настолько мало, что (почти вертикальная часть двух иллюстрированных кривых), солнечный элемент действует скорее как генератор тока , а не как генератор напряжения, ^[57] поскольку потребляемый ток почти фиксируется на протяжении диапазон 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 рассматривать как источник ЭДС для одной из цепей, как если бы она была вызвана электрическим генератором; отсюда и произошел 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 от напряжения на пьезоэлектрическом кристалле .
• 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

Рекомендации

1. "ЭМФ". Словарь английского языка американского наследия, 3-е изд . Хоутон Миффлин. 1992.
2. "ЭМФ" . Оксфордский словарь английского языка .
3. Типлер, Пол А. (январь 1976 г.). Физика. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Worth Publishers, Inc., с. 803. ИСБН 978-0-87901-041-6.
4. Стюарт, Джозеф В. (2001). Промежуточная электромагнитная теория . Сингапур Ривер Эдж, Нью-Джерси: World Scientific. п. 389. ИСБН 978-981-02-4470-5. ОСЛК  47127179.
5. Мэтьюз, Майкл Р. (3 июля 2014 г.). Международный справочник исследований в области истории, философии и преподавания естественных наук. Спрингер. п. 142. ИСБН 978-94-007-7654-8. [Вольта] заявил, что на заряды действовал новый тип «силы», разделяя их и удерживая разделенными, и назвал это действие электродвижущей силой, название, которое применяется до сих пор.
6. «IEC 60050 - Международный электротехнический словарь - Подробности для номера IEV 131-12-22: «напряжение источника»» . www.electropedia.org . Проверено 19 декабря 2022 г.
7. «МЭК 80000-6:2022». Международная Организация Стандартизации . Проверено 19 декабря 2022 г.
8. Ленгмюр, Ирвинг (1916). «Связь между контактными потенциалами и электрохимическим действием». Труды Американского электрохимического общества . Общество. 29 : 175.
9. Кук, Дэвид М. (2003). Теория электромагнитного поля. Курьер Дувр. п. 157. ИСБН 978-0-486-42567-2.
10. Лернер, Лоуренс М. (1997). Физика для ученых и инженеров. Издательство Джонс и Бартлетт. стр. 724–727. ISBN 978-0-7637-0460-5.
11. Типлер, Пол А.; Моска, Джин (2007). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Макмиллан. п. 850. ИСБН 978-1-4292-0124-7.
12. Халперн, Элвин М.; Эрльбах, Эрих (1998). Очерк теории и проблем начальной физики Шаума II. МакГроу-Хилл Профессионал. п. 138. ИСБН 978-0-07-025707-8.
13. Лерман, Роберт Л. (1998). Физика: простой способ . Образовательная серия Бэррона. п. 274. ИСБН 978-0-7641-0236-3. ЭДС разделяет потенциал реакции заряда.
14. Сингх, Конгбам Чандрамани (2009). «§3.16 ЭДС источника». Базовая физика . Прентис Холл Индия. п. 152. ИСБН 978-81-203-3708-4.
15. Вольта, Алессандро (1801). «Гальваническое электричество». Анналы де Шими . Ше Фукс, Париж.
16. Cajori, Florian (1899). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. The Macmillan Company. pp. 218–219. seat of electromotive force.
17. Valkenburgh, Van (1995). Basic Electricity. Cengage Learning. pp. 1–46. ISBN 978-0-7906-1041-2.
18. Abraham, M.; Becker, R. (1932). The Classical Theory of Electricity and Magnetism. Blackie & Son. pp. 116–122.
19. Griffiths, David J (1999). Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Pearson/Addison-Wesley. p. 293. ISBN 978-0-13-805326-0.
20. Only the electric field that results from charge separation caused by the emf is counted. While a solar cell has an electric field that results from a contact potential (see contact potentials and solar cells), this electric field component is not included in the integral. Only the electric field that results from charge separation caused by photon energy is included.
21. Olenick, Richard P.; Apostol, Tom M.; Goodstein, David L. (1986). Beyond the mechanical universe: from electricity to modern physics. Cambridge University Press. p. 245. ISBN 978-0-521-30430-6.
22. McDonald, Kirk T. (2012). "Voltage Drop, Potential Difference and EMF" (PDF). Physics Examples. Princeton University.
23. Feynman, R.P.; Leighton, R.B.; Sands, M. (1964). The Feynman Lectures on Physics, Vol. II, chap. 22. Addison Wesley.
24. Cook, David M. (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. p. 158. ISBN 978-0-486-42567-2.
25. Finn, Colin B P (1992). Thermal Physics. CRC Press. p. 163. ISBN 978-0-7487-4379-7.
26. Fogiel, M. (2002). Basic Electricity. Research & Education Association. p. 76. ISBN 978-0-87891-420-3.
27. Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (2008). Fundamentals of Physics (6th ed.). Wiley. p. 638. ISBN 978-0-471-75801-3.
28. Freeman, Roger L (2005). Fundamentals of Telecommunications (2nd ed.). Wiley. p. 576. ISBN 978-0-471-71045-5.
29. Croft, Terrell (1917). Practical Electricity. McGraw-Hill. p. 533.
30. Loeb, Leonard B. (2007). Fundamentals of Electricity and Magnetism (Reprint of Wiley 1947 3rd ed.). Read Books. p. 86. ISBN 978-1-4067-0733-5.
31. Warn, J. R. W.; Peters, A. P. H. (1996). Concise Chemical Thermodynamics (2 ed.). CRC Press. p. 123. ISBN 978-0-7487-4445-9.
32. Glasstone, Samuel (2007). Thermodynamics for Chemists (Reprint of D. Van Nostrand Co (1964) ed.). Read Books. p. 301. ISBN 978-1-4067-7322-4.
33. Шэдоуиц, Альберт (1975). Электромагнитное поле (1-е изд.). Книжная компания МакГроу-Хилл. стр. 396–398. ISBN 0-07-056368-3.
34. Макдональд, Кирк Т. (2010). «Парадокс цепи Левина» (PDF) . Примеры физики . Университет Принстон.
35. Риш, Николаус (2002). «Молекулы – связи и реакции». В Л. Бергманне; и другие. (ред.). Составные части материи: атомы, молекулы, ядра и частицы . ЦРК Пресс. 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 подробное обсуждение органической электрохимии у Аматоре, Кристиана (2000). "Базовые концепты". В Хеннинг Лунде; Оле Хаммерих (ред.). Органическая электрохимия (4-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-0430-8.
38. Конвей, Бельгия (1999). «Энергетические факторы по отношению к электродному потенциалу». Электрохимические суперконденсаторы . Спрингер. п. 37. ИСБН 978-0-306-45736-4.
39. Тилли, RJD (2004). Понимание твердых тел . Уайли. п. 267. ИСБН 978-0-470-85275-0.
40. Моттелей, Поль Флери (2008). Библиографическая история электричества и магнетизма (переиздание изд. 1892 г.). Читать книги. п. 247. ИСБН 978-1-4437-2844-7.
41. Краг, Хельге (2000). «Путаница и противоречия: теории гальванического столба девятнадцатого века» (PDF) . Нуова Вольтиана: Исследования Вольты и его времени . Университет дельи Студи в Павии. Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2009 г.
42. Камминг, Линнаус (2008). Введение в теорию электричества (переиздание изд. 1885 г.). БиблиоБазар. п. 118. ИСБН 978-0-559-20742-6.
43. Тригг, Джордж Л. (1995). Знаменательные эксперименты в физике двадцатого века (перепечатка Crane, Russak & Co, изд. 1975 г.). Курьер Дувр. п. 138 и далее . ISBN 978-0-486-28526-9.
44. Рокетт, Ангус (2007). «Диффузия и дрейф носителей». Материаловедение полупроводников . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Science. п. 74 и далее . ISBN 978-0-387-25653-5.
45. Киттель, Чарльз (2004). «Химический потенциал во внешних полях». Элементарная статистическая физика (переиздание Wiley, 1958 г.). Курьер Дувр. п. 67. ИСБН 978-0-486-43514-5.
46. Хэнсон, Джордж В. (2007). Основы наноэлектроники. Прентис Холл. п. 100. ИСБН 978-0-13-195708-4.
47. Сато, Норио (1998). «Полупроводниковые фотоэлектроды». Электрохимия на металлических и полупроводниковых электродах (2-е изд.). Эльзевир. п. 110 и далее . ISBN 978-0-444-82806-4.
48. Куимби, Ричард С. (2006). Фотоника и лазеры. Уайли. п. 176. ИСБН 978-0-471-71974-8.
49. Нимен, Дональд А. (2002). Физика полупроводников и приборы (3-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. п. 240. ИСБН 978-0-07-232107-4.
50. Дхир, С.М. (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 . п. 283. ИСБН 0-07-463082-2.
51. Араужо, Херардо Л. (1994). «§2.5.1 Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода». В Эдуардо Лоренцо (ред.). Солнечное электричество: проектирование фотоэлектрических систем . Progenza для Политехнического университета Мадрида. п. 74. ИСБН 978-84-86505-55-4.
52. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных батарей. Издательство Имперского колледжа. п. 8. ISBN 978-1-86094-349-2.
53. На практике при низких напряжениях m  → 2, тогда как при высоких напряжениях m  → 1. См. Araújo, op. цит. ISBN 84-86505-55-0 . стр. 72 
54. Нортроп, Роберт Б. (2005). «§6.3.2 Фотоэлектрические элементы». Введение в приборы и измерения . ЦРК Пресс. п. 176. ИСБН 978-0-8493-7898-0.
55. «Напряжение холостого хода» .
56. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных батарей. Издательство Имперского колледжа. п. 6. ISBN 978-1-86094-349-2.
57. Нельсон, Дженни (2003). Физика солнечных батарей. Издательство Имперского колледжа. п. 7. ISBN 978-1-86094-349-2.
58. Джон С. Ригден, изд. (1996). Энциклопедия физики Макмиллана . Нью-Йорк: Макмиллан.

дальнейшее чтение

• Джордж Ф. Баркер, «Об измерении электродвижущей силы». Труды Американского философского общества, проводимые в Филадельфии для продвижения полезных знаний, Американское философское общество. 19 января 1883 года.
• Эндрю Грей, «Абсолютные измерения в электричестве и магнетизме», Электродвижущая сила. Макмиллан и компания, 1884 г.
• Чарльз Альберт Перкинс, «Очерки электричества и магнетизма», Измерение электродвижущей силы. Генри Холт и компания, 1896 год.
• Джон Ливингстон Рутгерс Морган, «Элементы физической химии», Электродвижущая сила. Дж. Уайли, 1899 г.
• "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 в различных условиях и эффект окклюдированного водорода». Серия публикаций Вашингтонского Института Карнеги, 1906 г. LCCN  07-3935.
• Генри С. Кархарт, «Термо-ЭДС в электрических ячейках, термо-ЭДС между металлом и раствором одной из его солей». Нью-Йорк, компания Д. Ван Ностранда, 1920 год. LCCN  20-20413.
• Хейзел Россотти , «Химические применения потенциометрии». Лондон, Принстон, Нью-Джерси, Ван Ностранд, 1969. ISBN 0-442-07048-9 LCCN  69-11985. 
• Набенду С. Чоудхури, 1973. «Измерения электродвижущей силы на элементах с твердым электролитом из бета-глинозема». Техническая записка НАСА, D-7322.
• Джон О'М. Бокрис; Амуля К. Н. Редди (1973). «Электротехника». Современная электрохимия: введение в междисциплинарную область (2-е изд.). Спрингер. ISBN 978-0-306-25002-6.
• Робертс, Дана (1983). «Как работают батареи: гравитационный аналог». Являюсь. Дж. Физ . 51 (9): 829. Бибкод : 1983AmJPh..51..829R. дои : 10.1119/1.13128.
• Г. В. Бернс и др., «Опорные функции температуры и электродвижущей силы и таблицы для типов термопар с буквенным обозначением на основе ITS-90». Гейтерсбург, Мэриленд: Министерство торговли США, Национальный институт стандартов и технологий, Вашингтон, Supt. документации, USGPO, 1993.
• Норио Сато (1998). «Полупроводниковые фотоэлектроды». Электрохимия на металлических и полупроводниковых электродах (2-е изд.). Эльзевир. п. 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.