Elektromotor kuvvet

Elektromanyetizma
Elektrik Manyetizma
Elektrostatik Elektriksel yük Statik elektrik Coulomb yasası Elektriksel alan Elektrik akısı Gauss yasası Elektriksel potansiyel enerji Elektrik potansiyeli Elektrostatik indüksiyon Elektrik çift kutup momenti Kutuplanma yoğunluğu
Magnetostatik Ampère yasası Elektrik akımı Manyetik alan Mıknatıslanma Manyetik akı Biot-savart yasası Manyetik moment Manyetizma için Gauss yasası
Elektrodinamik Lorentz kuvveti Elektromotor kuvvet Elektromanyetik indüksiyon Faraday yasası Lenz yasası Yer değiştirme akımı Maxwell denklemleri EM alan Elektromanyetik radyasyon Maxwell tensörü Poynting vektörü Liénard-Wiechert potansiyelleri Jefimenko denklemleri Eddy akımı
Elektrik devresi Direnç Kapasite İndüktans Empedans Dalga rehberi
Bilim adamları Ampère Coulomb Faraday Gauss Heaviside Henry Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted
g t d

Elektromanyetizma ve elektronikte, elektromotor kuvvet (emf, ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ile gösterilir ve birimi volttur),^[1] elektriksel olmayan bir kaynak tarafından üretilen elektriksel eylemdir.^[2] Cihazlar (dönüştürücüler); piller (kimyasal enerjiyi dönüştüren) ya da jeneratörler (mekanik enerjiyi dönüştüren) gibi diğer enerji türlerini elektrik enerjisine^[3] dönüştürerek bir emf^[3] sağlar. Bazen elektromotor kuvveti tanımlamak için su basıncına bir analoji kullanılır (Bu durumda "kuvvet" kelimesi, cisimler arasındaki etkileşim kuvvetleri anlamında kullanılmaz).^[4]

Elektromanyetik indüksiyonda, emf, döngüde bir kez hareket ederse, kapalı bir iletken döngüsü etrafında bir elektrik yükü (bu örnekte bir elektron) üzerinde yapılacak elektromanyetik iş olarak tanımlanabilir.^[5] Bir döngüyü birbirine bağlayan ve zamanla değişen bir manyetik akı için; elektrik potansiyelinin skaler alanı, dolaşımdaki bir elektrik vektör alanı nedeniyle tanımlanmaz. Ancak yine de bir emf, döngü etrafında sanal elektrik potansiyeli olarak ölçülebilen bir iş yapar.^[6]

Thévenin'in eşdeğer devresi gibi modellenen iki uçlu bir cihazda (bir elektrokimyasal hücre gibi) eşdeğer emf, iki uç arasındaki açık devre potansiyel farkı veya gerilim olarak ölçülebilir. Bu potansiyel fark, uçlara harici bir devre bağlanırsa bir elektrik akımını çalıştırabilir ve bu durumda cihaz, o devrenin gerilim kaynağı olur.

Emf sağlayabilen cihazlar arasında elektrokimyasal hücreler, termoelektrik cihazlar, güneş pilleri, fotodiyotlar, elektrik jeneratörleri, transformatörler ve hatta Van de Graaff jeneratörleri bulunur.^[6][7] Doğada, bir yüzey boyunca manyetik alan dalgalanmaları meydana geldiğinde emf üretilir. Örneğin, jeomanyetik bir fırtına sırasında Dünya'nın manyetik alanının kayması; manyetik alan çizgileri iletkenler arasında kaydırılırken ve kesilirken, elektrik şebekesinde akımlara neden olur.

Bir pilde uçlar arasında voltaj farkına neden olan şarj ayrımı, kimyasal potansiyel enerjiyi elektromanyetik potansiyel enerjiye dönüştüren elektrotlardaki kimyasal reaksiyonlarla gerçekleştirilir.^[8][9] Bir voltaik hücrenin, her elektrotta atomik boyutlarda bir "yük pompasına" sahip olduğu düşünülebilir, yani:

Bir emf kaynağı, pozitif yükleri düşük potansiyelli bir noktadan iç kısmından yüksek potansiyele sahip bir noktaya taşımak için hareket eden bir tür şarj pompası olarak düşünülebilir. Emf kaynağı; kimyasal, mekanik veya başka yollarla onu yüksek potansiyelli terminale taşımak için bu yük üzerinde dW işini gerçekleştirir. Kaynağın emf'si ℰ , şarj dW başına yapılan iş dq olarak tanımlanır. ℰ = ${\textstyle {\frac {{\mathit {d}}W}{{\mathit {d}}q}}}$.^[10]

Bir elektrik jeneratöründe, jeneratörün içinde zamanla değişen bir manyetik alan, bir elektrik alan oluşturur. Bu işlem, jeneratör terminalleri arasında bir gerilim farkı yaratan elektromanyetik indüksiyon yoluyla meydana gelir.Yük ayrımı jeneratör içinde gerçekleşir çünkü elektronlar, açık devre durumunda daha fazla yük ayrılmasını imkansız kılan bir elektrik alanı geliştirilinceye kadar bir terminalden diğerine doğru akar. Emf, yük ayrımı nedeniyle elektrik gerilimi ile karşılanır. Bir yük bağlanırsa, bu gerilim bir akımı sürdürebilir. Bu tür elektrikli makinelerde emf'yi yöneten genel ilke, Faraday'ın indüksiyon yasasıdır.

1830 civarında Michael Faraday, iki elektrot-elektrolit arayüzünün her birindeki kimyasal reaksiyonların, voltaik hücre için "emf yatağı" sağladığını tespit etti. Yani, bu reaksiyonlar akımı yönlendirir ve başlangıçta düşünüldüğü gibi sonsuz bir enerji kaynağı değildir.^[11] Açık devre durumunda; ayrılan yüklerden gelen elektrik alan, reaksiyonları durdurmak için yeterli olana kadar yük ayrımı devam eder. Daha önceki yıllarda, hücrelerinin metal-metal (elektrot-elektrot) arayüzünde bir temas potansiyeli farkını ölçen Alessandro Volta, tek başına temasın (kimyasal bir reaksiyonu hesaba katmadan) emf'nin kaynağı olduğu konusunda yanlış bir görüşe sahipti.

Elektromotor kuvveti genellikle şu şekilde gösterilir: ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ veya ℰ (U+2130 ℰ EL YAZISI BÜYÜK E).

İç direnci olmayan bir cihazda, Q elektrik yükü bu cihazdan geçerse ve W enerjisi kazanırsa, bu cihaz için net emf, birim yük başına kazanılan enerjidir veya W/Q'dur. Yük başına düşen diğer enerji ölçüleri gibi emf de, joule/coulomb değerine eşit olan SI birimi voltu kullanır.^[12]

Elektrostatik birimlerdeki elektromotor kuvveti, statvolttur (santimetre gram saniye birim sisteminde, elektrostatik yük birimi başına bir erg'ye eşit miktar).

Açık devreli bir emf kaynağının içinde, yükün ayrılmasıyla oluşturulan korunumlu elektrostatik alan, emf üreten kuvvetleri tamamen iptal eder. Bu nedenle, emf, açık devre durumunda bir emf kaynağının iki terminali A ve B arasındaki bir iç yol ile hizalanan elektrik alanının integrali ile aynı değere ancak zıt işarete sahiptir (yol, negatif terminalden pozitif bir emf vermek için pozitif terminal, devrede hareket eden elektronlar üzerinde yapılan işi gösterir).^[13] Matematiksel olarak:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-\int _{A}^{B}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {cs} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$

burada E _cs, emf ile ilişkili yük ayrımının yarattığı korunumlu elektrostatik alanını, d ℓ A ucundan B ucuna giden yolun bir elemanını ve '·' vektör iç çarpımını belirtir.^[14] Bu denklem yalnızca uçbirim olan A ve B konumları için geçerlidir ve emf kaynağı dışındaki kısımlarla A ve B noktaları arasındaki yollara uygulanmaz^{[kime göre?]} (elektromotor kuvveti yalnızca kaynağın sınırları içinde bulunur). Bu denklem, yük ayırma E_cs' den kaynaklanan elektrostatik elektrik alanı içerir ve (örneğin) Faraday'ın indüksiyon yasası nedeniyle elektrik alanın korunumlu olmayan herhangi bir bileşenini içermez.

Değişen bir manyetik alanın varlığında kapalı bir yol olması durumunda, kapalı bir döngü etrafındaki elektrik alanın integrali sıfır olmayabilir; "indüklenmiş emf " olarak bilinen emf kavramının yaygın bir uygulaması, böyle bir döngüde indüklenen gerilimdir.^[15] Sabit ve kapalı bir C yolu etrafındaki " indüklenmiş emf ":

${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$

burada E, korunumlu ve korunumsuz tüm elektrik alandır ve integral, rastgele ancak değişen bir manyetik alanın olduğu sabit bir C kapalı eğrisi etrafındadır. Elektrostatik alan, bir devre etrafındaki net emf'ye katkıda bulunmaz çünkü elektrik alanın elektrostatik kısmı korunumludur (yani, kapalı bir yol etrafındaki alana karşı yapılan iş sıfırdır, geçerli olan Kirchhoff'un gerilim yasasına bakın, devre elemanları hareketsiz kaldığı ve radyasyon ihmal edildiği sürece^[16]).

Bu tanım, isteğe bağlı emf kaynaklarına ve hareketli C yollarına genişletilebilir:^[17] ${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ chemical\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ thermal\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$

bu, temelde kavramsal bir denklemdir, çünkü "etkin kuvvetlerin" belirlenmesi zordur.

Emf ℰ; bir yük miktarı dQ ile çarpıldığında, bir pilden yük geçtiğinde Gibbs enerjisinde meydana gelen değişim için formalizmde kullanılan termodinamik bir iş terimi olan ℰdQ'yu verir:

${\displaystyle dG=-SdT+VdP+{\mathcal {E}}dQ\,}$

burada; G Gibbs serbest enerjisi, S entropi, V sistem hacmi, P sistem basıncı ve T sistemin mutlak sıcaklığıdır.

Kombinasyon (ℰ, Q), eşlenik değişken çiftinin bir örneğidir. Sabit basınçta yukarıdaki ilişki; yük izotermal ve izobarik olarak geçtiğinde, açık hücre gerilimindeki değişikliği T sıcaklığı (ölçülebilir bir miktar) ile S entropisindeki değişime bağlayan bir Maxwell ilişkisi üretir. İkincisi, pilin gücünü veren elektrokimyasal reaksiyonun reaksiyon entropisiyle yakından ilgilidir. Bu Maxwell ilişkisi:^[18] ${\displaystyle \left({\frac {\partial {\mathcal {E}}}{\partial T}}\right)_{Q}=-\left({\frac {\partial S}{\partial Q}}\right)_{T}}$

Çözeltiye bir mol iyon girerse (örneğin, aşağıda tartışıldığı gibi bir Daniell hücresinde), harici devreden geçen yük:

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

burada n₀ elektron / iyon sayısı, F₀ Faraday sabitidir. Ayrıca eksi işareti hücrenin deşarjını gösterir. Sabit basınç ve hacim varsayılarak, hücrenin termodinamik özellikleri kesinlikle emf'nin davranışıyla şu şekilde ilişkilidir:^[18] ${\displaystyle \Delta H=-n_{0}F_{0}\left({\mathcal {E}}-T{\frac {d{\mathcal {E}}}{dT}}\right)\,}$

burada ΔH, reaksiyonun entalpisidir. Sağdaki miktarların tümü doğrudan ölçülebilir. Sabit sıcaklık ve basınç varsayıldığında:

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

Nernst denkleminin türetilmesinde kullanılır.

• Voltaik pil