نیروی های پیشران الکتریکی

نیروی الکتروموتور، و یا به طور اختصاری EMF (با نماد اپسیلون و واحد اندازه گیری ولت)، نیروی  الکتریکی‌ ای است که  توسط یک منبع غیر الکتریکی تولید می شود.

EMF نیروی ایجاد شده از هر گونه دستگاهی است که اشکال دیگر انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند، مانند باتری (تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی) یا ژنراتور (تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی).

همچنین گاهی اوقات از فشار آب برای توصیف نیروی الکتروموتور استفاده می شود. (کلمه “force” یا نیرو در این مورد به معنای نیروی تعامل بین اجسام نیست، زیرا ممکن است در پوند یا نیوتن اندازه گیری شود.)

در القای الکترومغناطیسی، EMF در اطراف یک حلقه ی بسته‌ی رسانا ایجاد می شود. در این حالت نیروی حاصل، بدست آمده از بار الکتریکی (در این مثال الکترون) است که حداقل یک دور کامل در این حلقه حرکت کرده است.

نیروی های پیشران الکتریکی ۱

بررسی اجمالی

دستگاه هایی که می توانند نیروی الکتروموتور را ارائه دهند شامل سلول های الکتروشیمیایی، دستگاه های ترموالکتریک، سلول های خورشیدی، فوتو آلدئید ها، ژنراتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها و حتی ژنراتورهای وان دی گراف هستند.

در طبیعت، هر زمانی که نوسانات میدان مغناطیسی از طریق یک سطح رخ دهد، نیروی الکتروموتور تولید می شود.

جابجایی میدان مغناطیسی زمین در طوفان ژئومغناطیسی باعث ایجاد جریان در شبکه های الکتریکی می شود، به طوری که این جریان خطوط میدان مغناطیسی را وادار به جابجایی می کند.

در مثال دیگری در مورد یک باتری، ایجاد اختلاف ولتاژ بین پایانه ها که توسط واکنش های شیمیایی در الکترودها ایجاد می شود، انرژی پتانسیل شیمیایی را به انرژی پتانسیل الکترومغناطیسی تبدیل می کند.

در مورد یک ژنراتور الکتریکی، یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان در داخل ژنراتور، میدان الکتریکی را از طریق القای الکترومغناطیسی ایجاد می کند، که به نوبه خود باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین پایانه های ژنراتور می شود.

در حالی که الکترون ها از یک ترمینال به سمت دیگر جریان می یابند، عملیات جداسازی بارها در داخل ژنراتور اتفاق می افتد، تا زمانی که میدان الکتریکی کافی ایجاد شود تا بار اضافی دیگری برای جابجایی وجود نداشته باشد.

تاریخچه

در حدود سال ۱۸۳۰، مایکل فارادی تأکید کرد که واکنش های انجام شونده در هر دو سمت الکترودها و الکترولیت ها جایگاهی برای نیروی الکتروموتور را برای سلول های ولتاژ فراهم می کنند. به بیان دیگر یعنی این واکنش ها هستند که جریان را جاری می کنند و همانطور که در ابتدا فکر کردند این منابع انرژی بی پایان نیستند.

در مورد مدارهای باز، جداسازی بار ادامه می یابد تا زمانی که میدان الکتریکی از طریق سوئیچ های مجزایی برای واکنش ها متوقف شود.

نیروی های پیشران الکتریکی ۲

اختلاف ولتاژ

یک اختلاف ولتاژ الکتریکی گاهی اوقات به عنوان نیروی الکتروموتور در نظر گرفته می شود.

نکات زیر نشان دهنده تمایزات دقیق تری بین نیروی الکتروموتور و ولتاژی است که تولید می کند:

1. برای یک مدار به طور کلی، مانند مداری که حاوی یک مقاومت سری شده با یک سلول ولتاژ باشد، ولتاژ الکتریکی به تولید نیروی الکترموتور کلی کمک نمی کند، زیرا اختلاف ولتاژی که در یک مدار موجود است، صفر است. نیروی الکتروموتوری صرفا به واکنش های شیمیایی باتری وابسته است که موجب جداسازی بار ها می شود و به نوبه خود باعث ایجاد ولتاژ الکتریکی می شود که جریان را در آن جاری می کند.
2. برای یک مدار متشکل از یک ژنراتور الکتریکی که جریان را از طریق یک مقاومت تحریک می کند، ولتاژ نیروی الکتروموتوری صرفا به یک میدان مغناطیسی متغیر درون ژنراتور وابسته است که ولتاژ الکتریکی را تولید می کند و باعث ایجاد جریان می شود.
3. ترانسفورماتوری که دو مدار را به یکدیگر متصل می کند را می توان به عنوان یک منبع ولتاژ برای یکی از مدارها دانست. درست مثل اینکه توسط یک ژنراتور الکتریکی ایجاد شده باشد. این مثال منشأ اصطلاح “نیروی محرکه‌ی الکتریکی مبدل” را نشان می دهد.
4. یک عنصر فوتونی یا سلول خورشیدی ممکن است به عنوان منبع نیروی محرکه الکتریکی، شبیه به یک باتری محسوب شود و موجب ایجاد ولتاژ الکتریکی ناشی از جداسازی بارها شود که این کار به وسیله نور به جای واکنش شیمیایی انجام می شود.
5. دستگاه های دیگری که تولید کننده این نیرو می باشند، سلول های سوخت، ترموکوپل ها و پیل حرارتی هستند.

در مورد یک مدار باز، شارژ الکتریکی که از طریق مکانیسم تولید نیروی محرکه الکتریکی جدا شده است، یک میدان الکتریکی برای مقابله با مکانیسم جداسازی ایجاد می کند.

به عنوان مثال، واکنش شیمیایی در یک سلول ولتانیک زمانی متوقف می شود که میدان الکتریکی متضاد در هر دو الکترود به اندازه کافی قوی باشد تا واکنش ها را متوقف کند. میدان های بزرگتر مخالف می توانند واکنش ها را در آنچه که سلول های معکوس کننده نامیده می شوند، بر عکس کنند.

بارهای الکتریکی که از یکدیگر جدا شده اند، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می کنند که می تواند با یک ولت متر بین پایانه های دستگاه اندازه گیری شود.

مقدار نیروی الکتروموتور تولید شده در باتری یا منبع دیگر، مقدار همین ولتاژ در مدار های باز است. اما هنگامی که باتری شارژ یا تخلیه می شود، نمی توان این نیرو را به خودی خود مستقیما با استفاده از ولتاژ خارجی اندازه گیری کرد.

نیروی های پیشران الکتریکی ۳