Elektromotorna sila
| Elektromagnetizam |
|
| Ključne stavke |
| Elektricitet • Magnetizam |
| Elektrostatika |
| Magnetostatika |
| Elektrodinamika |
| Električna mreža |
| Kovarijantna formulacija |
Naučnici
|
Elektromotorna sila, skraćeno EMS (označava se sa i meri u voltima),[1] veličina je u elektrotehnici kojom se izražava rad potreban za razdvajanje nosilaca naelektrisanja u nekom izvoru električne struje, pri čemu sila koja deluje na naelektrisanja na krajevima izvora nije direktna posledica polja.[2] Praktično govoreći - pod pojmom EMS podrazumeva se napon na krajevima izvora kada nema struje. Čim se kolo zatvori i poteče struja tada se na krajevima izvora pojavljuje napon koji je manji od EMS ovog izvora. Ovo je posledica unutrašnje otpornosti samog izvora na kojoj će se i pojaviti pomenuti pad napona. Uređaj koji pretvara druge oblike energije u električnu energiju („transduktor”),[3] kao što je baterija (koja konvertuje hemijsku energiju) ili generator (koji konvertuje mehaničku energiju),[2] pruža EMS na svom izlazu.[3] Ponekad se za opisivanje elektromotorne sile koristi analogija sa pritiskom vode[4] (Reč „sila” u ovom slučaju se ne koristi da označava silu interakcije između tela, kao što se može meriti u kilogramima ili njutnima.)
EMS je karakteristika svakog izvora. Ako se pri prenošenju količine naelektrisanja q kroz izvor (od jednog do drugog pola) izvrši rad A, elektromotorna sila je definisana formulom ε= A/q. Da bi kroz električno kolo proticala struja potrebno je da na krajevima provodnika postoji razlika potencijala. Svaki uređaj za pretvaranje bilo kog oblika energije u električnu energiju, naziva se generator, koji ujedno predstavlja i izvor u strujnom kolu. Elektromotorna sila je energijska karakteristika izvora i predstavlja količnik transformisane energije iz bilo kog oblika u električnu (dW) i količine elektriciteta (dq) koja protiče kroz kolo električne struje. =dW/dq
Pri elektromagnetnoj indukciji, EMS se može definisati oko zatvorenog kola provodnika kao elektromagnetski rad koji bi se obavio na električnom naboju (elektron u ovom slučaju) ako putuje jednom oko kola.[5] Za vremenski promenljivi magnetni fluks u kolu, električni potencijal skalarnog polja nije definisan zbog cirkulirajućeg električnog vektorskog polja, ali EMS ipak obavlja rad što se može meriti kao virtualni električni potencijal oko kola.[6]
U slučaju uređaja sa dva terminala (kao što je elektrohemijska ćelija[7][8]) koji se modeluje kao Tevenenovo ekvivalentno kolo,[9][10] ekvivalentna EMS se može meriti kao razlika potencijala otvorenog kola ili „napona” između dva terminala. Ova razlika potencijala može pokrenuti električnu struju, ako je spoljašnje kolo priključeno na terminale.
Uređaji koji mogu da obezbede EMS uključuju elektrohemijske ćelije, termoelektrične uređaje, solarne ćelije, fotodiode, električne generatore, transformatore i čak Van de Grafove generatore.[6][11] U prirodi, EMS se stvara kad god se pojavljuju fluktuacije magnetnog polja kroz površinu. Pomeranje Zemljinog magnetnog polja tokom geomagnetne oluje izaziva struje u električnoj mreži, dok se linije magnetnog polja pomeraju i prelaze preko provodnika.
U slučaju baterije, razdvajanje naboja koje dovodi do razlike napona između terminala postiže se hemijskim reakcijama na elektrodama koje pretvaraju hemijsku potencijalnu energiju u elektromagnetnu potencijalnu energiju.[12][13] Za galvansku ćeliju se može smatrati da ima „pumpu naelektrisanja” atomskih dimenzija na svakoj elektrodi, to jest:[14]
Izvor EMS se može smatrati kao neka vrsta pumpe naelektrisanja koja deluje tako da pomera pozitivni naboj od tačke niskog potencijala kroz unutrašnjost do tačke visokog potencijala. ... Hemijskim, mehaničkim ili drugim sredstvima, izvor EMS vrši rad dW na tom naelektrisanju da bi ga premestio na terminal visokog potencijala. EMS ℰ izvora se definiše kao rad dW koji se vrši po naelektrisanju dq: ℰ = dW/dq.
U slučaju električnog generatora, vremeski promenljivo magnetno polje unutar generatora stvara električno polje putem elektromagnetne indukcije, što zauzvrat stvara razliku napona između terminala generatora. Odvajanje naboja odvija se unutar generatora, sa elektronima koji teku od jednog terminala prema drugom, sve dok se u slučaju otvorenog kola ne formira dovoljno električno polje tako da ne bi bilo moguće dalje razdvajanje naboja. Elektromotornoj sili se suprotstavlja električni napon usled razdvajanja naboja. Ako je priključeno opterećenje, ovaj napon može pokrenuti struju. Opšti princip koji upravlja EMS u takvim električnim mašinama je Faradejev zakon elektromagnetske indukcije.[15][16]
Oko godine 1830, Majkl Faradej je uspostavio da reakcije na svakom od dva elektrodno–elektrolitska interfejsa pružaju EMS za naponsku ćeliju, tj. da ove reakcije pokreću struju i da nisu neiscrpan izvor energije kao što se u početku mislilo.[17] U slučaju otvorenog kola, razdvajanje naboja se nastavlja sve dok električno polje razdvojenih naboja nije dovoljno da zaustavi reakcije. Godinama ranije, Alesandro Volta, koji je merio kontaktnu razliku potencijala na interfejsu metal-metal (elektroda-elektroda) njegovih ćelija, imao je pogrešno stanovište da je sam kontakt (bez uzimanja u obzir hemijske reakcije) bio uzrok nastanka EMS.
Elektromotorna sila se obično označava sa ili ℰ (rukopisno veliko E, unikod U+2130).
U uređaju bez unutrašnjeg otpora, ako električni naboj Q prolazi kroz taj uređaj i dobije energiju W, neto EMS tog uređaja je energija dobijena po jediničnom naboju, ili W/Q. Kao i druge mere energije po naboju, za EMS se koristi SI jedinica volt, koja je ekvivalentna džulu po kulonu.[18]
Elektromotorna sila u elektrostatičkim jedinicama je statvolt (u jedinicama sistema centimetar-gram-sekunda jednaka količini jednog erga po elektrostatičkoj jedinici naboja).
- ↑ emf. (1992). American Heritage Dictionary of the English Language 3rd ed. Boston:Houghton Mifflin.
- ↑ 2,0 2,1 Stewart, Joseph V. (2001). Intermediate electromagnetic theory. World Scientific. str. 389.
- ↑ 3,0 3,1 Tipler, Paul A. (januar 1976). Physics. New York, NY: Worth Publishers, Inc.. str. 803. ISBN 978-0-87901-041-6.
- ↑ Irving Langmuir (1916). „The Relation Between Contact Potentials and Electrochemical Action”. Transactions of the American Electrochemical Society (The Society) 29: 175.
- ↑ David M. Cook (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. str. 157. ISBN 978-0-486-42567-2.
- ↑ 6,0 6,1 Lawrence M Lerner (1997). Physics for scientists and engineers. Jones & Bartlett Publishers. str. 724–727. ISBN 978-0-7637-0460-5.
- ↑ „Electrolytic Cells”. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Pristupljeno 17. 5. 2018.
- ↑ „Electrochemical Cells”. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Pristupljeno 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.«
- ↑ Brittain, J.E. (mart 1990). „Thevenin's theorem”. IEEE Spectrum 27 (3): 42. DOI:10.1109/6.48845. Pristupljeno 1. 2. 2013.
- ↑ Dorf, Richard C.; Svoboda, James A. (2010). „Chapter 5 - Circuit Theorems”. Introduction to Electric Circuits (8th izd.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. pp. 162-207. ISBN 978-0-470-52157-1. Arhivirano iz originala na datum 30. 4. 2012. Pristupljeno 16. 6. 2019.
- ↑ Tipler, Paul A.; Mosca, Gene (2007). Physics for Scientists and Engineers (6 izd.). Macmillan. str. 850. ISBN 978-1-4292-0124-7.
- ↑ Halpern, Alvin M.; Erlbach, Erich (1998). Schaum's outline of theory and problems of beginning physics II. McGraw-Hill Professional. str. 138. ISBN 978-0-07-025707-8.
- ↑ Robert L. Lehrman (1998). Physics the easy way. Barron's Educational Series. str. 274. ISBN 978-0-7641-0236-3.
- ↑ Singh, Kongbam Chandramani (2009). „§3.16 EMF of a source”. Basic Physics. Prentice Hall India. str. 152. ISBN 978-81-203-3708-4.
- ↑ Jordan, Edward; Balmain, Keith G. (1968). Electromagnetic Waves and Radiating Systems (2nd izd.). Prentice-Hall. str. 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.«
- ↑ Hayt, William (1989). Engineering Electromagnetics (5th izd.). McGraw-Hill. str. 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.«
- ↑ Cajori, Florian (1899). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. The Macmillan Company. str. 218–219.
- ↑ Van Valkenburgh (1995). Basic Electricity. Cengage Learning. str. 1–46. ISBN 978-0-7906-1041-2.
- Stewart, Joseph V. (2001). Intermediate electromagnetic theory. World Scientific. str. 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 07003935-{{{3}}}
- 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 20020413-{{{3}}}
- Hazel Rossotti, "Chemical applications of potentiometry". London, Princeton, N.J., Van Nostrand. 1969. ISBN 978-0-442-07048-9. pp. LCCN 69011985-{{{3}}}
- 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 izd.). 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 izd.). Elsevier. str. 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. DOI:10.1038/nature07879. PMID 19270681. Pristupljeno 10. 3. 2009.
