Электродвижущая сила

Не путать с электромагнитным полем .

В электромагнетизме и электронике ( электродвижущая сила также электродвижение , сокращенно ЭДС , обозначенный ${\mathcal {E}}$) — передача энергии в электрическую цепь на единицу электрического заряда , измеряемую в вольтах . Устройства, называемые электрическими преобразователями, создают ЭДС. путем преобразования других форм энергии в электрическую энергию . Другое электрооборудование также производит ЭДС, например, батареи , преобразующие химическую энергию , и генераторы , преобразующие механическую энергию . Это преобразование энергии достигается за счет физических сил, совершающих физическую работу над электрическими зарядами . Однако электродвижущая сила сама по себе не является физической силой. и стандарты ISO / IEC отказались от этого термина в пользу вместо этого термина «напряжение источника» или «напряжение источника» (обозначаемого $U_{s}$).

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

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

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 . 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. Гальванический элемент можно рассматривать как имеющий «зарядовый 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. …Химическим, механическим или другим способом источник ЭДС совершает работу ${\textstyle {\mathit {d}}W}$ на этом заряде, чтобы переместить его на клемму с высоким потенциалом. ЭДС ${\textstyle {\mathcal {E}}}$ источника определяется как работа ${\textstyle {\mathit {d}}W}$ сделано за плату ${\textstyle dq}$. ${\textstyle {\mathcal {E}}={\frac {{\mathit {d}}W}{{\mathit {d}}q}}}$.

В электрическом генераторе изменяющееся во времени магнитное поле внутри генератора создает электрическое поле посредством электромагнитной индукции , что 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). 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 возникновения ЭДС» для гальванического элемента. То есть эти реакции движут ток, а не являются бесконечным источником энергии, как считалось ранее устаревшей теорией . 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

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

В устройстве без внутреннего сопротивления , если электрический заряд $q$ проходя через это устройство, он получает энергию $W$ В результате работы чистая ЭДС для этого устройства представляет собой энергию, полученную на единицу заряда: ${\textstyle {\tfrac {W}{Q}}.}$ Как и другие меры энергии на заряд, в ЭДС используется СИ — единица измерения вольт , которая эквивалентна джоулю (единице энергии СИ) на кулон (единица заряда СИ).

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 и положительной клеммой P. N Это приводит к возникновению электростатического поля. ${\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }$ это указывает от P к N , тогда как ЭДС источника должна быть в состоянии пропускать ток от N до P при подключении к цепи.Это привело Макса Абрахама ввести понятие неэлектростатического поля ${\boldsymbol {E}}'$ существующее только внутри источника ЭДС.В случае разомкнутой цепи ${\boldsymbol {E}}'=-{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }$, а при подключении источника к цепи электрическое поле ${\boldsymbol {E}}$ внутри источника изменения, но ${\boldsymbol {E}}'$ остается по сути тем же самым.В случае разомкнутой цепи консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением заряда, точно нейтрализует силы, создающие ЭДС. Математически:

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

где ${\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }$ - консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением зарядов, связанным с ЭДС, $\mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}$ — элемент пути от терминала N до терминала P , ' $\cdot$' обозначает векторное скалярное произведение , и $V$ – электрический скалярный потенциал. Эта ЭДС представляет собой работу, совершаемую над единицей заряда неэлектростатическим полем источника. ${\boldsymbol {E}}'$ когда заряд перемещается N в P. из

Когда источник подключен к нагрузке, его ЭДС равна всего лишь ${\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}'\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,$и уже не имеет простого отношения к электрическому полю ${\boldsymbol {E}}$ внутри него.

В случае замкнутого пути при наличии переменного магнитного поля интеграл электрического поля вокруг (стационарного) замкнутого контура $C$ может быть ненулевым.Тогда « индуцированная ЭДС » (часто называемая «индуцированным напряжением») в контуре равна:

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

где ${\boldsymbol {E}}$ - все электрическое поле, консервативное и неконсервативное, а интеграл находится вокруг произвольной, но стационарной замкнутой кривой. $C$ через который существует изменяющийся во времени магнитный поток $\Phi _{C}$, и ${\boldsymbol {A}}$ векторный потенциал .Электростатическое поле не вносит вклад в результирующую 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 справедлив до тех пор, пока поскольку элементы схемы остаются в покое и излучение не учитывается ).То есть «индуцированная ЭДС» (как и ЭДС батареи, подключенной к нагрузке) не является «напряжением» в смысле разницы электрического скалярного потенциала.

Если цикл $C$ это проводник, по которому течет ток $I$ в направлении интегрирования вокруг контура, и магнитный поток возникает из-за этого тока, мы имеем, что $\Phi _{B}=LI$, где $L$ - самоиндукция 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.Тогда мы можем рассмотреть другой цикл $C'$ который состоит из витого проводника от 1 до 2 и воображаемой линии, проходящей по центру катушки от 2 обратно к 1. Магнитный поток и ЭДС в контуре $C'$ по сути то же самое, что и в цикле $C$: $${\mathcal {E}}_{C}={\mathcal {E}}_{C'}=-{\frac {d\Phi _{C'}}{dt}}=-L{\frac {dI}{dt}}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ .$$

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

Таким образом, мы можем связать эффективное «падение напряжения» $L\ dI/dt$ 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,

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

где теперь наведенная ЭДС не считается ЭДС источника.

Это определение можно распространить на произвольные источники ЭДС и пути. $C$ движущийся со скоростью ${\boldsymbol {v}}$ через электрическое поле ${\boldsymbol {E}}$ и магнитное поле ${\boldsymbol {B}}$:

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

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

В (электрохимической) термодинамике

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

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

где $G$ свободная энергия Гиббса, $S$ это энтропия , $V$ объем системы, $P$ это его давление и $T$ это его абсолютная температура .

Комбинация $({\mathcal {E}},Q)$ является примером сопряженной пары переменных . При постоянном давлении приведенное выше соотношение дает соотношение Максвелла , которое связывает изменение напряжения открытого элемента с температурой. $T$ (измеримая величина) к изменению энтропии $S$ когда заряд передается изотермически и изобарно . Последнее тесно связано с реакционной энтропией электрохимической реакции, которая придает батарее энергию. Это соотношение Максвелла:

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

Если моль ионов переходит в раствор (например, в ячейке Даниэля, как обсуждается ниже), заряд во внешней цепи составит:

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

где $n_{0}$ - количество электронов на ион, а $F_{0}$ – постоянная Фарадея , а знак минус указывает на разряд элемента. Предполагая постоянные давление и объем, термодинамические свойства ячейки строго связаны с поведением ее ЭДС следующим образом:

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

где $\Delta H$ – энтальпия реакции . Все величины справа поддаются непосредственному измерению. Предполагая постоянные температуру и давление:

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

которое используется при выводе уравнения Нернста .

Различие с разностью потенциалов

Хотя разность электрических потенциалов (напряжение) иногда называют ЭДС, это формально 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, отделенный 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.

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. Однако об этом можно судить по измерению тока. $I$ и разность потенциалов $V$, при условии, что внутреннее сопротивление $R$ уже измерено: ${\mathcal {E}}=V+IR\ .$

«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 A до B. от Если бы вольтметр всегда измерял разность потенциалов между А и В , 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 A и B. точках Наведенное напряжение по закону Фарадея равно $V$, поэтому ток $I=V/(100+200).$ Следовательно, напряжение на резисторе сопротивлением 100 Ом равно $100\ I$ а напряжение на резисторе сопротивлением 200 Ом равно $200\ I$, однако два резистора подключены с обоих концов, но $V_{AB}$ измеренное вольтметром слева от соленоида, не совпадает с $V_{AB}$ измеряется вольтметром справа от соленоида.

Поколение

Химические источники

Основная статья: Электрохимическая ячейка

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. и переходное состояние .

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. находиться преимущественно на границе раздела между электродами и электролитом .

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 связи и уменьшает (свободную) энергию системы. 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 (восстановление-окисление). 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 (сборщика 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):

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

Сульфат цинка является электролитом в этой полуэлементе. Это раствор, содержащий катионы цинка. $\mathrm {Zn} ^{2+}$и сульфат-анионы $\mathrm {SO} _{4}^{2-}$ с зарядами, которые балансируют до нуля.

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:

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

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.) Электрическую энергию, выделяющуюся при этой реакции (213 кДж на 65,4 г цинка), можно объяснить в основном более слабой на 207 кДж связью (меньшей величиной энергии сцепления) цинка, заполнившего 3d- и 4s-орбитали, по сравнению с медь, у которой есть незаполненная орбиталь, доступная 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 виде химического равновесия. достигается в клетке. При этом цинковый анод растворяется, а медный электрод покрывается медью. Солевой мостик должен замыкать электрическую цепь, не позволяя ионам меди перемещаться к цинковому электроду и восстанавливаться там без образования внешнего тока. Он состоит не из соли, а из материала, способного впитывать катионы и анионы (диссоциированные соли) в растворы. 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 этой конкретной клеточной химии при 298 К (комнатная температура) ЭДС ${\mathcal {E}}$ = 1,0934 В, с температурным коэффициентом $d{\mathcal {E}}/dT$ = −4.53×10 ⁻⁴ V/K.

Вольтовы элементы

Вольта разработал гальванический элемент около 1792 года и представил свою работу 20 марта 1800 года. Вольта правильно определил роль разнородных электродов в создании напряжения, но ошибочно отверг какую-либо роль электролита. Вольта расположил металлы в «напряженном ряду», «то есть в таком порядке, что любой из металлов в списке становится положительным при контакте с любым последующим, но отрицательным при контакте с любым предшествующим ему». 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.

ЭДС	Клеточная химия			Общее имя
	Анод	Растворитель, электролит	катод
1.2 V	Кадмий	Вода, гидроксид калия	НиО(ОН)	никель-кадмиевый
1.2 V	Мишметалл (поглощающий водород)	Вода, гидроксид калия	Никель	никель-металлогидридный
1.5 V	Цинк	Вода, хлорид аммония или цинка	Углерод, диоксид марганца	Цинк углеродный
2.1 V	Вести	Вода, серная кислота	Диоксид свинца	Свинцово-кислотный
3.6 V to 3.7 V	Графит	Органический растворитель, соли лития	ЛиКоО 2	Литий-ионный
1.35 V	Цинк	Вода, гидроксид натрия или калия	HgO	Ртутная ячейка

Другие химические источники

Другие химические источники включают топливные элементы .

Электромагнитная индукция

Основная статья: Закон индукции Фарадея

Электромагнитная индукция — это создание циркулирующего электрического поля зависящим от времени магнитным полем. Зависимое 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

Смотрите также: Вольта-потенциал и Электрохимический потенциал.

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 . 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 нейтральном состоянии, где уровень Ферми (название химического потенциала электронной системы) ) описывает энергию, необходимую для удаления электрона из тела в некоторую общую точку (например, землю). Если при переносе электрона из одного тела в другое имеется энергетическое преимущество, такой перенос произойдет. Перенос вызывает разделение зарядов: одно тело приобретает электроны, а другое теряет электроны. Этот перенос заряда вызывает появление разности 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. 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 вклад 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.

Солнечная батарея

Основная статья: Теория солнечных элементов

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 из-за контактного потенциала между двумя разными материалами в соединении. Разделение зарядов между положительными дырками и отрицательными электронами на p-n-диоде дает прямое напряжение , фотонапряжение , между освещенными выводами диода, который 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 $I_{SH}+I_{D}$ ограничить общий ток $I$ доступен для внешней цепи. Светоиндуцированное разделение зарядов в конечном итоге создает прямой ток. $I_{SH}$ через внутреннее сопротивление клетки $R_{SH}$ в направлении, противоположном светоиндуцированному току $I_{L}$. Кроме того, индуцированное напряжение имеет тенденцию смещать переход вперед , что при достаточно высоких напряжениях вызовет ток рекомбинации. $I_{D}$ в диоде противоположно светоиндуцированному току.

Когда выход закорочен, выходное напряжение обнуляется, поэтому напряжение на диоде наименьшее. Таким образом, короткое замыкание приводит к наименьшему $I_{SH}+I_{D}$ потери и, следовательно, максимальный выходной ток, который для качественного солнечного элемента примерно равен светоиндуцированному току $I_{L}$. Примерно такой же ток получается для прямых напряжений до момента, когда проводимость диода становится значительной.

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

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

$I_{0}$ – 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. $V_{\mathrm {T} }={\tfrac {kT}{q}}$, что составляет около 26 милливольт при комнатной температуре .

Фото-ЭДС солнечного элемента

Выходное напряжение солнечного элемента для двух светоиндуцированных токов I _L, выраженное как отношение к обратному току насыщения I ₀ и используя фиксированный коэффициент идеальности m, равный 2. Их ЭДС — это напряжение на пересечении оси Y.

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

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

который замышляется против $I/I_{0}$ на рисунке.

солнечного элемента Фото-ЭДС ${\mathcal {E}}_{\mathrm {photo} }$ имеет то же значение, что и напряжение холостого хода $V_{oc}$, что определяется обнулением выходного тока $I$:

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

Он имеет логарифмическую зависимость от светоиндуцированного тока $I_{L}$ и здесь напряжение прямого смещения перехода достаточно, чтобы прямой ток полностью уравновешивал светоиндуцированный ток. Для кремниевых переходов оно обычно не превышает 0,5 В. А у качественных кремниевых панелей оно может превышать 0,7 Вольта под прямыми солнечными лучами.

При управлении резистивной нагрузкой выходное напряжение можно определить с помощью закона Ома и оно будет находиться между значением короткого замыкания, равным нулю В, и напряжением холостого хода. $V_{oc}$. Когда это сопротивление настолько мало, что $I\approx I_{L}$ (почти вертикальная часть двух иллюстрированных кривых), солнечный элемент действует скорее как генератор тока, а не как генератор напряжения. поскольку потребляемый ток практически фиксирован в диапазоне выходных напряжений. Это контрастирует с батареями, которые действуют скорее как генераторы напряжения.

Другие источники, генерирующие ЭДС

• Трансформатор , соединяющий две цепи, можно считать источником ЭДС для одной из цепей, так же, как если бы она была вызвана электрическим генератором; отсюда и произошел термин «ЭДС трансформатора».
• Для преобразования звуковых волн напряжения в сигналы :
  • микрофон движущейся генерирует ЭДС от 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 .
• Любой электрический преобразователь , преобразующий физическую энергию в электрическую.

См. также

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

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.
• «Трактаты по термодинамике Г. Гельмгольца. Под редакцией Макса Планка». (Тр. «Статьи по термодинамике, о Г. Гельмгольце. Под ред. Макса Планка».) Лейпциг, В. Энгельманн, Оствальд, классический автор серии точных наук. Новое следствие. Нет. 124, 1902.
• Теодор Уильям Ричардс и Густав Эдвард Бер-младший, «Электродвижущая сила железа в различных условиях и эффект окклюдированного водорода». Серия публикаций Института Карнеги в Вашингтоне, 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 год. 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 . ПМИД   19270681 . S2CID   4320209 .