Forca elektromotore

Forca elektromotore, e ashtuquajtur Fel (shënohet me ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ dhe matet me volt),^[1] është tension i zhvilluar nga cilido burim i energjisë elektrike si bateria ose dinamo (gjenerator elektrik). Përgjithësisht është përkufizuar si potencial për një burim në qark.^[2]

Fjala "forcë" në këtë rast nuk përdoret për të nënkuptuar një forcë mekanike, të matur në njuton, por një potencial, ose energji për njësi të ngarkesës, të matur në volt.

Në induksionin elektromagnetik, Fel mund të përkufizohet përreth një harku të mbyllur si punë elektromagnetike që do të kryhej në një ngarkesë nëse ajo qarkullon njëherë rreth atij harku.^[3](Përderisa ngarkesa qarkullon rreth harkut, ajo njëkohësisht mund të humb energji përmes rezistencës në energji termike.) ^[4]

Në rastin e dy pajisjeve termike (si qeliza elektrotermike ose gjeneratori elektromagnetik) që është i modeluar si qarku ekuivalent i Theveninit, forca ekuivalente mund të matet si potencial i qarkut të hapur ose tension në mes të dy termikëve. Ky ndryshim i potencialit mund ta lëvizë rrymën nëse një qark i jashtëm është i lidhur me termikët. Kur kjo të ndodhë ndryshimi i potencialit në mes të termikëve do të bie sepse tensioni bie përreth rezistencës së brendshme ekuivalente ka rënë.

Pajisjet që mund ta paraqesin forcën elektrolëvizore janë qelizat elektrokimike, pajisjet elektrotermike, qelizat diellore dhe fotodiodat, gjeneratorët elektrikë, transformatorët dhe madje edhe gjeneratorin e Van de Graafit.^[4][5] Në natyrë, fel gjenerohet kurdo që fusha magnetike luhatet nëpër një sipërfaqe. Një shembull për këtë variacion është fusha magnetike e Tokës gjatë stuhive gjeomagnetike, duke vepruar në çdo gjë në sipërfaqen e planetit, si një rrjet i zgjeruar elektrik.

Në rastin e një baterie, ndarja e ngarkesës që jep rritje të ndryshimi të tensionit është e kompletuar nga reaksionet kimike në elektroda.^[6] Kimikisht, nga ndarja e ngarkesës pozitive dhe negative, një fushë elektrike mund të krijohet, duke dhënë një ndryshim të potencialit elektrik.^[6][7] Një qelizë voltike mund të mendohet si pasje e një pompe të ngarkuar e dimensioneve atomike në secilën elektrodë, që është:^[8]

Një burim i fel mund të mendohet si një lloj i një pompe të ngarkuar që vepron në lëvizjen e ngarkesave elektrike nga një pikë e potencialit të ulët nëpër brendësinë e tij në një pikë të potencialit të lartë. ... Në kuptim kimik, mekanik ose kuptime të tjera, burimi i fel kryen punë "dW" në ngarkesë për ta lëvizur atë në potencial të lartë termik. Fel e burimit është e definuar si punë dW e kryer për ngarkesë dq: ℰ = dW/dq

Simboli dhe njësitë e matjes

Forca elektrolëvizore zakonisht shënohet si ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ose ℰ (E e madhe e shkrimit, Unikodi U+2130).

Në një pajisje pa rezistencë të brendshme, nëse një ngarkesë Q kalon përmes kësaj pajisje, dhe sjell një energji W, fel përfundimtare për atë pajisje është energjia e sjellë në njësi të ngarkesës, ose W/Q. Si madhësistë tjera të energjisë për ngarkesë, fel ka njësinë volt në sistemin SI, ekuivalent me xhul për kulon.^[9]

Forca elektrolëvizore në njësitë elektrostatike është statvolt.

Përkufizimet zyrtare të forcës elektrolëvizore

Brenda një burimi të fel që është qark i hapur, fusha elektrostatike konservative e krijuar nga ndarja e ngarkesave saktësisht anulon forcat duke prodhuar fel. Kështu, fel ka të njëjtën vlerë por shenjë të kundërt si integrali i fushës elektrike i ngjitur me një rrugë të brendshme në mes të dy terminaleve A dhe B të një burimi të fel në kushtet e një qarku të hapur ..^[10] Matematikisht:

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

Ku E_cs është fusha elektrike konservative e krijuar nga ndarja e ngarkesave e bashkuar me fel, dℓ është një element në rrugën nga terminali A në B, dhe ‘·’ është produkt skalar^[11]. Ky ekuacion aplikohet vetëm në vendet A dhe B që janë terminale dhe nuk aplikohet në rrugën në mes të pikave A dhe B me pjesë jashtë burimit të fel. Ky ekuacion përfshinë fushën elektrostatike për shkak të ndarjes së ngarkesës E_cs dhe nuk përfshinë (për shembull) asnjë komponentë jo-konservative të fushës elektrike për shkak të ligjit të Faradeit për induksion.

Në rastin e rrugës së mbyllur në prezencën e fushës së ndryshueshme magnetike, integrali i fushës elektrike rreth një harku të mbyllur mund të jetë jozero; një aplikacion i ngjashëm i konceptit të fel, i njohur si fel e induktuar është tension i induktuar në një hark.^[12] Fel e induktuar rreth një konture të mbyllur stacionare C është:

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

ku E është e tërë fusha elektrike, konservative dhe jo-konservatitve, dhe integrali është rreth një vije të mbyllur stacionare C përmes së cilës është një fushë e ndryshueshme magnetike. Fusha elektrostatike nuk kontribuon në fel përfundimtare rreth një qarku sepse pjesa elektrostatike e fushës elektrike është konservative (që është, puna e kryer kundër fushës rreth një rruge të mbyllur që është zero).

Ky përkufizim mund të shtrihet në burime arbitrare të fel dhe në rrugët që lëvizin C:^[13]

${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{C}{\boldsymbol {\left[E+v\times B\right]\cdot }}d{\boldsymbol {\ell }}\ }$

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {\mathbf {forca\ efektive\ kimike\ \cdot } } \ d{\boldsymbol {\ell }}\ }$

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {\mathbf {forca\ efektive\ termike\ \cdot } } \ d{\boldsymbol {\ell }}\ ,}$

i cili është ekuacion kryesor konceptual, sepse përcaktimi i “forcës efektive” është i vështirë.

Forca elektrolëvizore dhe ndryshimi i potencialit

Një ndryshim i potencialit elektrik quhet nganjëherë fel.^{[14][15][16][17][18]} Pikat në vazhdim ilustojnë përdorimin më zyrtar, në terma dallues në mes të fel dhe tensionit që gjeneron:

1. Për një qark të plotë, që përmban një rezistor në seri me qeliza voltike, tensioni elektrik nuk kontribon në fel të përgjithshme, sepse ndryshimi i potencialit nëpër qark është zero. (Omiku IR bie plus tensioni i aplikuar është zero. Shih ligjin e Kirkovit).
2. Për një qark që mban një gjenerator elektrik që lëviz rrymën nëpër një rezistor, fel është shkak i vetëm i një fushe magnetike të ndryshueshme për kohë që gjeneron një tension elektrik që nga ana tjetër drejton rrymën. (Omiku IR bie plus tensioni elektrik i aplikuar është prapë zero. Shih ligjin e Kirkovit).
3. Një transformator që bashkon dy qarqe mund të konsiderohet si një burim i fel për një nga qarqe, vetëm nëse ai është shkaktuar nga një gjenerator elektrik; ky shembull ilustron origjinën e termit “fel transformator”.
4. Një fotodiodë ose qelizë diellore mund të konsiderohet si burim i fel, ngjashëm me një bateri, duke rezultuar me gjenerimin e një tensioni elektrik nga ndarja e ngarkesës të udhëhequr nga drita më tepër sesa reaksionet kimike.^[19]
5. Pajisjet e tjera që prodhojnë fel janë qelizat karburante, termoelementet dhe termopilet.^[20]

Në rastin e një qarku të hapur, ngarkesa elektrike që është ndarë nga gjenerim mekanik i fel krijon një fushë elektrike që i kundërvihet ndarjes mekanike. Për shembull, reaksioni kimik në qeliza voltike ndalon kur fusha elektrike e kundërvënë në secilën elektrodë është e fuqishëm mjaftueshmë për të ngërthyer reaksionet. Një fushë më e madhe kundërshtare mund të kthejë reaksionet që quhen qeliza "të kthyeshme".^[21][22]

Ngarkesa elektrike është është ngarë krijon një ndryshim të potencialit elektrik që mund të matet me voltmetër në mes të terminaleve të pajisjes. Madhësia e fel për bateri (ose burim tjetër) është vlera e tensionit të këtij “qarku të hapur”. Kur bateria është duke u ngarkuar ose u shkarkuar, fel nuk mund të matet direk duke përdorur tension të jashtëm sepse pak nga tensioni humbet brenda burimit.^[15] Megjithatë ajo mund nxirret nga matja e rrymës I dhe ndryshimi i potencialit V, po qe se rezistenca e brendshme r është matur: ℰ = V + Ir.