Електромоторна сила

Електромоторна сила, скраћено ЕМС (означава се са ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ и мери у волтима),^[1] величина је у електротехници којом се изражава рад потребан за раздвајање носилаца наелектрисања у неком извору електричне струје, при чему сила која делује на наелектрисања на крајевима извора није директна последица поља.^[2] Практично говорећи - под појмом ЕМС подразумева се напон на крајевима извора када нема струје. Чим се коло затвори и потече струја тада се на крајевима извора појављује напон који је мањи од ЕМС овог извора. Ово је последица унутрашње отпорности самог извора на којој ће се и појавити поменути пад напона. Уређај који претвара друге облике енергије у електричну енергију („трансдуктор”),^[3] као што је батерија (која конвертује хемијску енергију) или генератор (који конвертује механичку енергију),^[2] пружа ЕМС на свом излазу.^[3] Понекад се за описивање електромоторне силе користи аналогија са притиском воде^[4] (Реч „сила” у овом случају се не користи да означава силу интеракције између тела, као што се може мерити у килограмима или њутнима.)

ЕМС је карактеристика сваког извора. Ако се при преношењу количине наелектрисања q кроз извор (од једног до другог пола) изврши рад А, електромоторна сила је дефинисана формулом ε= A/q. Да би кроз електрично коло протицала струја потребно је да на крајевима проводника постоји разлика потенцијала. Сваки уређај за претварање било ког облика енергије у електричну енергију, назива се генератор, који уједно представља и извор у струјном колу. Електромоторна сила ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ је енергијска карактеристика извора и представља количник трансформисане енергије из било ког облика у електричну (dW) и количине електрицитета (dq) која протиче кроз коло електричне струје. ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$=dW/dq

При електромагнетној индукцији, ЕМС се може дефинисати око затвореног кола проводника као електромагнетски рад који би се обавио на електричном набоју (електрон у овом случају) ако путује једном око кола.^[5] За временски променљиви магнетни флукс у колу, електрични потенцијал скаларног поља није дефинисан због циркулирајућег електричног векторског поља, али ЕМС ипак обавља рад што се може мерити као виртуални електрични потенцијал око кола.^[6]

У случају уређаја са два терминала (као што је електрохемијска ћелија^[7][8]) који се моделује као Тевененово еквивалентно коло,^[9][10] еквивалентна ЕМС се може мерити као разлика потенцијала отвореног кола или „напона” између два терминала. Ова разлика потенцијала може покренути електричну струју, ако је спољашње коло прикључено на терминале.

Преглед

Уређаји који могу да обезбеде ЕМС укључују електрохемијске ћелије, термоелектричне уређаје, соларне ћелије, фотодиоде, електричне генераторе, трансформаторе и чак Ван де Графове генераторе.^[6][11] У природи, ЕМС се ствара кад год се појављују флуктуације магнетног поља кроз површину. Померање Земљиног магнетног поља током геомагнетне олује изазива струје у електричној мрежи, док се линије магнетног поља померају и прелазе преко проводника.

У случају батерије, раздвајање набоја које доводи до разлике напона између терминала постиже се хемијским реакцијама на електродама које претварају хемијску потенцијалну енергију у електромагнетну потенцијалну енергију.^[12][13] За галванску ћелију се може сматрати да има „пумпу наелектрисања” атомских димензија на свакој електроди, то јест:^[14]

Извор ЕМС се може сматрати као нека врста пумпе наелектрисања која делује тако да помера позитивни набој од тачке ниског потенцијала кроз унутрашњост до тачке високог потенцијала. ... Хемијским, механичким или другим средствима, извор ЕМС врши рад dW на том наелектрисању да би га преместио на терминал високог потенцијала. ЕМС ℰ извора се дефинише као рад dW који се врши по наелектрисању dq: ℰ = dW/dq.

У случају електричног генератора, временски променљиво магнетно поље унутар генератора ствара електрично поље путем електромагнетне индукције, што заузврат ствара разлику напона између терминала генератора. Одвајање набоја одвија се унутар генератора, са електронима који теку од једног терминала према другом, све док се у случају отвореног кола не формира довољно електрично поље тако да не би било могуће даље раздвајање набоја. Електромоторној сили се супротставља електрични напон услед раздвајања набоја. Ако је прикључено оптерећење, овај напон може покренути струју. Општи принцип који управља ЕМС у таквим електричним машинама је Фарадејев закон електромагнетске индукције.^[15][16]

Историја

Око године 1830, Мајкл Фарадеј је успоставио да реакције на сваком од два електродно–електролитска интерфејса пружају ЕМС за напонску ћелију, тј. да ове реакције покрећу струју и да нису неисцрпан извор енергије као што се у почетку мислило.^[17] У случају отвореног кола, раздвајање набоја се наставља све док електрично поље раздвојених набоја није довољно да заустави реакције. Годинама раније, Алесандро Волта, који је мерио контактну разлику потенцијала на интерфејсу метал-метал (електрода-електрода) његових ћелија, имао је погрешно становиште да је сам контакт (без узимања у обзир хемијске реакције) био узрок настанка ЕМС.

Ознаке и мерне јединице

Електромоторна сила се обично означава са ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ или ℰ (рукописно велико E, уникод U+2130).

У уређају без унутрашњег отпора, ако електрични набој Q пролази кроз тај уређај и добије енергију W, нето ЕМС тог уређаја је енергија добијена по јединичном набоју, или W/Q. Као и друге мере енергије по набоју, за ЕМС се користи СИ јединица волт, која је еквивалентна џулу по кулону.^[18]

Електромоторна сила у електростатичким јединицама је статволт (у јединицама система центиметар-грам-секунда једнака количини једног ерга по електростатичкој јединици набоја).

Референце

1. emf. (1992). American Heritage Dictionary of the English Language 3rd ed. Boston:Houghton Mifflin.
2. Stewart, Joseph V. (2001). Intermediate electromagnetic theory. World Scientific. стр. 389. 
3. Tipler, Paul A. (јануар 1976). Physics. New York, NY: Worth Publishers, Inc. стр. 803. ISBN 978-0-87901-041-6. 
4. Irving Langmuir (1916). „The Relation Between Contact Potentials and Electrochemical Action”. Transactions of the American Electrochemical Society. The Society. 29: 175. 
5. David M. Cook (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. стр. 157. ISBN 978-0-486-42567-2. 
6. Lawrence M Lerner (1997). Physics for scientists and engineers. Jones & Bartlett Publishers. стр. 724—727. ISBN 978-0-7637-0460-5. 
7. „Electrolytic Cells”. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Приступљено 17. 5. 2018. 
8. „Electrochemical Cells”. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Приступљено 17. 5. 2018. „Electrochemical cells which generate an electric current are called voltaic cells or galvanic cells, and common batteries consist of one or more such cells. In other electrochemical cells an externally supplied electric current is used to drive a chemical reaction which would not occur spontaneously. Such cells are called electrolytic cells.” 
9. Brittain, J.E. (март 1990). „Thevenin's theorem”. IEEE Spectrum. 27 (3): 42. doi:10.1109/6.48845. Приступљено 1. 2. 2013. 
10. Dorf, Richard C.; Svoboda, James A. (2010). „Chapter 5 - Circuit Theorems”. Introduction to Electric Circuits (8th изд.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. стр. 162—207. ISBN 978-0-470-52157-1. Архивирано из оригинала 30. 4. 2012. г. Приступљено 16. 6. 2019. 
11. Tipler, Paul A.; Mosca, Gene (2007). Physics for Scientists and Engineers (6 изд.). Macmillan. стр. 850. ISBN 978-1-4292-0124-7. 
12. Halpern, Alvin M.; Erlbach, Erich (1998). Schaum's outline of theory and problems of beginning physics II. McGraw-Hill Professional. стр. 138. ISBN 978-0-07-025707-8. 
13. Robert L. Lehrman (1998). Physics the easy way. Barron's Educational Series. стр. 274. ISBN 978-0-7641-0236-3. 
14. Singh, Kongbam Chandramani (2009). „§3.16 EMF of a source”. Basic Physics. Prentice Hall India. стр. 152. ISBN 978-81-203-3708-4. 
15. Jordan, Edward; Balmain, Keith G. (1968). Electromagnetic Waves and Radiating Systems (2nd изд.). Prentice-Hall. стр. 100. „Faraday's Law, which states that the electromotive force around a closed path is equal to the negative of the time rate of change of magnetic flux enclosed by the path.” 
16. Hayt, William (1989). Engineering Electromagnetics (5th изд.). McGraw-Hill. стр. 312. ISBN 978-0-07-027406-8. „The magnetic flux is that flux which passes through any and every surface whose perimeter is the closed path.” 
17. Cajori, Florian (1899). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. The Macmillan Company. стр. 218—219. 
18. Van Valkenburgh (1995). Basic Electricity. Cengage Learning. стр. 1—46. ISBN 978-0-7906-1041-2. 

Литература

• Stewart, Joseph V. (2001). Intermediate electromagnetic theory. World Scientific. стр. 389. 

• George F. Barker, "On the measurement of electromotive force". Proceedings of the American Philosophical Society Held at Philadelphia for Promoting Useful Knowledge, American Philosophical Society. January 19, 1883.
• Andrew Gray, "Absolute Measurements in Electricity and Magnetism", Electromotive force. Macmillan and co., 1884.
• Charles Albert Perkins, "Outlines of Electricity and Magnetism", Measurement of Electromotive Force. Henry Holt and co., 1896.
• John Livingston Rutgers Morgan, "The Elements of Physical Chemistry", Electromotive force. J. Wiley, 1899.
• "Abhandlungen zur Thermodynamik, von H. Helmholtz. Hrsg. von Max Planck". (Tr. "Papers to thermodynamics, on H. Helmholtz. Hrsg. by Max Planck".) Leipzig, W. Engelmann, Of Ostwald classical author of the accurate sciences series. New consequence. No. 124, 1902.
• Theodore William Richards and Gustavus Edward Behr, jr., "The electromotive force of iron under varying conditions, and the effect of occluded hydrogen". Carnegie Institution of Washington publication series, 1906. LCCN 07-3935
• Henry S. Carhart, "Thermo-electromotive force in electric cells, the thermo-electromotive force between a metal and a solution of one of its salts". New York, D. Van Nostrand company, 1920. LCCN 20-20413
• Hazel Rossotti, "Chemical applications of potentiometry". London, Princeton, N.J., Van Nostrand. 1969. ISBN 978-0-442-07048-9. LCCN 69-11985
• Nabendu S. Choudhury, 1973. "Electromotive force measurements on cells involving beta-alumina solid electrolyte". NASA technical note, D-7322.
• John O'M. Bockris; Amulya K. N. Reddy (1973). „Electrodics”. Modern Electrochemistry: An Introduction to an Interdisciplinary Area (2 изд.). Springer. ISBN 978-0-306-25002-6. 
• Roberts, Dana (1983). „How batteries work: A gravitational analog”. Am. J. Phys. 51 (9): 829. Bibcode:1983AmJPh..51..829R. doi:10.1119/1.13128. 
• G. W. Burns, et al., "Temperature-electromotive force reference functions and tables for the letter-designated thermocouple types based on the ITS-90". Gaithersburg, MD : U.S. Dept. of Commerce, National Institute of Standards and Technology, Washington, Supt. of Docs., U.S. G.P.O., 1993.
• Sato, Norio (1998). „Semiconductor photoelectrodes”. Electrochemistry at metal and semiconductor electrodes (2nd изд.). Elsevier. стр. 326 ff. ISBN 978-0-444-82806-4. 
• Hai, Pham Nam; Ohya, Shinobu; Tanaka, Masaaki; Barnes, Stewart E.; Maekawa, Sadamichi (8. 3. 2009). „Electromotive force and huge magnetoresistance in magnetic tunnel junctions”. Nature. 458 (7237): 489—92. Bibcode:2009Natur.458..489H. PMID 19270681. doi:10.1038/nature07879. Приступљено 10. 3. 2009. 

Спољашње везе