Siła elektromotoryczna

Siła elektromotoryczna - definicja i wzory

Siła elektromotoryczna (SEM) –  to rodzaj oddziaływania, który w obwodzie elektrycznym powoduje przepływ prądu o wartości równej energii elektrycznej nabytej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w źródle prądu w stronę przeciwną do siły pola elektrycznego działającego na dany ładunek. SEM nie zalicza się do sił w znaczeniu fizycznym, nazwa te jest jedynie echem genezy historycznej. Stworzenie tego określenia przypisuje się Alessandrowi Volcie, który wynalazł pierwsze ogniwo galwaniczne, nazwane od jego nazwiska ogniwem Volty.  Pierwotnie znaczyło ono czynnik rozdzielający ładunki ujemne i dodatnie. Pierwotnie używano także nazwy „Moc elektromotoryczna”. Wzory i szczegóły teorii jej działania można znaleźć tutaj. Natomiast w tym artykule zajmiemy się jej funkcjonowaniem w rzeczywistości.

Praktyczne zastosowanie

Siła elektromotoryczna występuje najczęściej w kontekście przemysłu elektrotechnicznego. Na indukowaniu się SEM opiera się silnik elektryczny asynchroniczny. Powstaje ona w uzwojeniach wirnika, kiedy obraca się on z prędkością inną niż wirowania pola magnetycznego. Jest ona również najważniejszą właściwością opisującą źródła energii elektrycznej, zwane też źródłami SEM. Są to prądnice (czyli w dużym uproszczeniu działające w odwrotny sposób silniki –zmieniają energię mechaniczną na elektryczną), ale również baterie, fotoogniwa czy termopary. Jako specyficzny parametr dotyczy ona głównie urządzeń służących do wytwarzania bądź przetwarzania energii.  Można by ją określić jako szczególny rodzaj napięcia odnoszący się właśnie do jego źródeł. Dlatego też aby poznać jej naturę warto również wiedzieć „gdzie ona jest” i jak ją właściwie zmierzyć.

Pomiary SEM

Spójrzmy na przykład najprostszego obwodu elektrycznego.  Złożymy go w naszych głowach z połączonego szeregowo źródła prądu, wyłącznika i odbiornika, czyli obciążenia (może to być np. mała żarówka). Równolegle przyłączony do tego obwodu woltomierz wskaże nam wartość występującego w nim napięcia. W elektrotechnice, dla zobrazowania zjawisk posługujemy się tzw. przypadkami idealnymi, czyli uwzględniając np. dany element jako rezystancyjny nie uwzględniamy innych jego parametrów które występują „śladowo”, takich jak pojemność czy indukcyjność. W takiej właśnie sytuacji napięcie generowane przez źródło prądu jest stałe, niezależnie od wartości przyłączonego oporu.

Taki rozwój wydarzeń jest jednak w rzeczywistości niemożliwy.  Po zamknięciu wyłącznika i dołączeniu do obwodu odbiornika następuje tzw. spadek napięcia na tym elemencie, zgodnie z zasadami wynikającymi z prawa Ohma. Mówiąc prościej spada wartość wskazywanego napięcia na zaciskach źródła. Kiedy mówimy o pomiarach SEM, mamy na myśli wartość napięcia w stanie jałowym czyli bez obciążenia. W sytuacji w której bateria nie musi „produkować” energii elektrycznej wskazana wartość napięcia będzie określona jako siła elektromotoryczna. Określmy to w pełni profesjonalnie  – napięcie na zaciskach źródła otwartego nazywamy SEM.
Uwaga! W przypadku niektórych rodzajów prądnic, w których jej wartość zależy od natężenia przepływającego prądu, taki pomiar nie jest możliwy. Dokonuje się go za pomocą obliczeń, metodą pomiarów pośrednich.

Zjawiska w których powstaje SEM

Aby jeszcze lepiej poznać naturę omawianej w artykule wielkości warto poznać również zjawiska w których powstaje SEM.  Zajmiemy się tymi, które  nie są powiązane bezpośrednio z elektrycznością, wokół której „kręci się” siła elektromotoryczna.  Dlaczego? Gdyż SEM to nie tylko kwestia elektrotechniczna, ale także fizyczna i powiązana z materiałoznawstwem.

Oczywiście wypada wspomnieć o najbardziej elementarnym zjawisku jakim jest indukcja elektromagnetyczna - na której opiera się podstawa działania silników elektrycznych, prądnic czy nawet transformatorów.  Jest to efekt powstawania siły elektromotorycznej w wyniku zmian strumienia pola magnetycznego. Jego modyfikacja może być spowodowana zmianami samego pola lub względnym poruszaniem się źródła pola i przewodnika.  Zostało ono odkryte w 1831r. przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya.

Skupimy się jednak na tym jak SEM może powstawać w różnych materiałach.
Substancje (zwykle o budowie krystalicznej) piroelektryczne mają zdolność generowania SEM pod wpływem zmian temperatury. Do wystąpienia tego efektu nie potrzebny jest gradient temperatury, wystarczy ogrzanie całego kryształu. Można go odnotować jedynie przy substancjach mających dobre właściwości izolacyjne. Po ustabilizowaniu temperatury, kryształ powoli ulega rozładowaniu za przyczyną upływu ładunku.
Z kolei w kryształach piezoelektrycznych ładunki elektryczne na ich powierzchni powstają na skutek naprężeń mechanicznych.

Zjawiskiem blisko powiązanym z fizyką w którym powstaje SEM jest efekt fotoelektryczny wewnętrzny. W tym szczególnym przypadku  energia fotonu jest całkowicie pochłaniana przez elektron, ale nie jest on uwalniany,  jak w przypadku zjawiska zewnętrznego. Przechodzi on natomiast do pasma przewodnictwa, modyfikując w ten sposób właściwości elektryczne materiału (tzw. fotoprzewodnictwo). Jest to możliwe tylko w przypadku gdy foton ma większą energię niż wynosi szerokość pasma wzbronionego (odległość energetyczna dzieląca pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne). Przechodząc do meritum – przeniesienie przez fotony elektronów, na wyżej położone poziomy energetyczne blisko złącza, powoduje powstanie siły elektromotorycznej na styku dwóch materiałów pod wpływem światła. Określamy to zjawiskiem fotowoltaicznym.

Powstawanie SEM w procesach chemicznych

Na koniec, zainteresowanych tematem uraczymy ciekawostką dotyczącą szczegółów powstawania SEM w procesach chemicznych. Zachodzą one w ogniwach galwanicznych. Wcześniej wspominaliśmy o pomiarze siły elektromotorycznej na przykładzie takiego źródła, ale jak ona właściwie w nim powstaje? W ogniwie znajdują się dwie elektrody (półogniwa) np. metaliczne. Na pierwszej z nich zachodzi wydzielanie metalu czyli tzw. redukcja, ze względu na to określamy ją katodą. Na drugiej z nich jony metalu przechodzą do roztworu, dochodzi więc do utleniania, a z tej przyczyny nazywamy ją anodą. Półogniwo o wyższej wartości potencjału ma znak dodatni i jest katodą, a o niższej ujemny i jest anodą. Elektrony przepływają od anody do katody, a dla uproszczenia przyjęto, że prąd przepływa w kierunku odwrotnym. SEM tak skonstruowanego ogniwa to różnica potencjałów elektrod (odejmowania potencjału katody od anody) w stanie bez obciążenia.