Siła elektromotoryczna

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

Siła elektromotoryczna (SEM) - energia elektryczna jaką uzyskuje jednostkowy ładunek elektryczny w źródle prądu elektrycznego. Źródło zwiększa energię elektryczną kosztem energii innego rodzaju.

Źródłami siły elektromotorycznej moga być generatory elektryczne (pradu stałego i zmiennego), baterie, termopary, fotoogniwa. Siła elktromotoryczna jest często oznaczana przez $\mathcal{E}$ . Jednostką siły elektromotorycznej jest volt równy ilości dżuli przypadających na ładunek elektryczny jednego kulomba

Spis treści

1 Historia
2 Definicja
3 Siła elektromotoryczna a różnica potencjałów
4 Powstawanie siły elektromotorycznej
5 Bibliografia

[edytuj] Historia

SEM nie jest siłą w sensie normalnej, fizycznej definicji tego słowa, a nazwa ta jest swoistą pozostałością historyczną. Nazwę siła elktromotoryczna przypisuje się Alessandro Volta (1745–1827), który wynalazł ogniwo Volty. Słowo siła pierwotnie odnosiła sie do "siły" rozdzielającej ładunki ujemne i dodatnie. Historycznie używano także nazwy Moc elektromotoryczna.

[edytuj] Definicja

Siła elektromotoryczna źródła jest zdefiniowana jako ilość energii elektrycznej jaką uzyskuje jednostkowy ładunek przy przemieszczaniu go w źródle. Z punktu widzenia elektryczności uzyskiwanie energii odbywa się w wyniku przesuwania ładunku przeciwko siłom pola elektrycznego.

Z punktu widzenia energii proces zachodzący w źródle napięcia można wyrazić:

$E_f \xrightarrow {W} E_e \xrightarrow {W} E_g$

- Δ E f = W = Δ E e = Δ E g

W odbiornikach elektrycznych energia elektryczna zamienia się na inny rodzaj energii.

gdzie:

$E f$ - energia zewnętrzna
W - praca wykonywana nad przeniesieniem ładunku
$E e$ - energia elektryczna.

Elementarną pracę wykonaną przez siłę wyraża wzór:

$dW = \mathbf{f}\cdot d\mathbf{l}$

Jeśli wektor pola f jest siłą oddziałującą na ładunek jednostkowy nośnika ładunku, SEM w obwodzie C wynosi:

$\mathcal{E} = W =\oint_C\mathbf{f}\cdot d\mathbf{l}.$

Jednostką jest dżul na kulomb, czyli volt.

Tak jak potencjał elektryczny w jednym punkcie i napięcie pomiędzy dwoma punktami, siła elektromotoryczna mierzona jest w voltach. W odróżnieniu od dwóch pierwszych wielkości, SEM zależy w dużym stopniu od nieelektrostatycznych oddziaływań, stąd siłę f należy rozumieć jako magnetyczne, chemiczne, mechaniczne, lub inne oddziaływanie.

Napięcie na zaciskach źródła prądu zazwyczaj różni się od wartości siły elektromotorycznej, spowodowane jest to występowaniem w źródle oporu elektrycznego, zwanego oporem wewnętrznym źródła, polaryzacji elektrod i innych zjawisk. $E = U + i R w$ (U - napięcie na zaciskach źródła, Rw -opór wewnętrzny źródła). Siła elektromotoryczna równa się napięciu (różnicy potencjałów) na zaciskach źródła prądu, gdy obwód jest otwarty (prąd nie płynie); w obwodzie z prądem s.e. jest równa stosunkowi mocy chwilowej wydzielanej przez źródło do natężenia prądu:

$\textbf{E}={{P}\over i}$

gdzie P - moc źródła; i - natężenie prądu;

SEM definiuje się jako stosunek pracy potrzebnej do przesunięcia ładunku jednostkowego od bieguna ujemnego do dodatniego do wielkości tego ładunku

$\textbf{E}={{W}\over q}$

gdzie W - praca; q - ładunek jednostkowy;

[edytuj] Siła elektromotoryczna a różnica potencjałów

Jeśli zewnętrzny obwód nie jest podłaczony do SEM, prąd elektryczny nie płynie przez źródło. W takim przypadku pomiędzy zaciskami źródła pojawia się pole elektryczne, które dokładnie znosi działanie SEM.

Źródłem tego pola są ładunki elektryczne rozdzielone przez mechanizm SEM. Na przykład, reakcja chemiczna w baterii zachodzi tylko do momentu, kiedy pole elektryczne pomiędzy rozdzelonymi ładunkami jest wystarczajaco duże aby zatrzymać reakcję.

Pole elektryczne pomiędzy zaciskami baterii powoduje powstanie różnicy potencjałów, która może być zmierzona woltomierzem. Polaryzacja mierzonej różnicy potencjałów jest zawsze "przeciwna" do kierunku działania SEM. Wartość SEM dla baterii (lub innego źródła) jest równa wartości napięcia "otwartego obwodu". Samej siły elektromotorycznej bezpośrednio nie da się zmierzyć.

[edytuj] Powstawanie siły elektromotorycznej

Powszechnym sposobem generowania SEM są reakcje chemiczne (np. ogniwo paliwowe). Innym przykładem jest powstanie SEM na styku dwóch różnych metali potencjał kontaktowy. Absorpcja energii promieniowania, lub energii cieplnej także może stanowić źródło SEM (termopara, fotoogniwo, fotodioda)

Indukcja elektromagnetyczna oznacza przekształcenie energii mechanicznej w elektryczną. SEM generowana w ten sposób nazywana jest siłą elektromotoryczną rotacji - w odróżnieniu od siły elektromotorycznej transformacji, powstającej w wyniku zmiany natężenia nieruchomego pola magnetycznego w rdzeniu cewki.

Z prawa Faradaya można wyprowadzić następujący wzór:

$\mathcal{E} = -L { di \over dt }$

gdzie i oznacza prąd, a L jest indukcyjnością obwodu magnetycznego.

Mając daną SEM oraz rezystancję przyłączonego obwodu elektrycznego, prąd chwilowy może być obliczony z prawa Ohma, lub w ogólnym przypadku rozwiązując równanie różniczkowe wynikające z drugiego prawa Kirchhoffa. Prąd w dowolnej chwili t jest określony przez

$i(t) = { 1 \over R} \left( E - L {di \over dt} \right)$