Электродвижущая сила

Электрическое воздействие, создаваемое неэлектрическим источником

В электромагнетизме и электроника, электродвижущая сила (ЭДС, обозначается $E\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\}$и измеряется в вольт ) - это электрическое воздействие, создаваемое неэлектрическим источником. Устройства (известные как преобразователи ) обеспечивают ЭДС путем преобразования других форм энергии в электрическую энергию, таких как батареи (которые преобразуют химическую энергию ) или генераторы (которые преобразуют механическую энергию ). Иногда аналогия с водой давлением используется для описания электродвижущей силы. (Слово «сила» в данном случае не используется для обозначения сил взаимодействия между телами).

В электромагнитной индукции ЭДС может быть определена вокруг замкнутого контура проводника как электромагнитная работа, которая будет выполняться на электрический заряд (в данном случае электрон ), если он проходит один раз по петле. Для изменяющегося во времени магнитного потока, соединяющего петлю, скалярное поле электрического потенциала не определяется из-за циркулирующего электрического векторного поля, но ЭДС, тем не менее, работает, которую можно измерить как виртуальный электрический потенциал вокруг контура.

В случае двухконтактного устройства (такого как электрохимический элемент ) которая смоделирована как эквивалентная схема Тевенина, эквивалентная ЭДС может быть измерена как разность потенциалов холостого хода или напряжение между двумя выводами. Эта разность потенциалов может управлять электрическим током, если к клеммам подключена внешняя цепь, и в этом случае устройство становится источником напряжения этой цепи.

Содержание

• 1 Обзор
• 2 История
• 3 Обозначения и единицы измерения
• 4 Формальные определения
• 5 В (электрохимической) термодинамике
• 6 Разность напряжений
• 7 Поколение
  • 7.1 Химические источники
    • 7.1.1 Гальванические элементы
    • 7.1.2 Типовые значения
  • 7.2 Электромагнитная индукция
  • 7.3 Контактные потенциалы
  • 7.4 Солнечный элемент
• 8 См. Также
• 9 Ссылки
• 10 Дополнительная литература

Обзор

Устройства, которые могут обеспечивать ЭДС, включают электрохимические элементы, термоэлектрические устройства, солнечные элементы, фотодиоды, электрические генераторы, трансформаторы и даже генераторы Ван де Граафа. В природе ЭДС возникает, когда флуктуации магнитного поля проходят через поверхность. Например, смещение магнитного поля Земли во время геомагнитной бури индуцирует токи в электрической сети, когда линии магнитного поля смещаются и пересекают проводники.

В батарее разделение зарядов, которое вызывает разность напряжений между выводами, достигается за счет химических реакций на электродах, которые преобразуют потенциальную химическую энергию в потенциальную электромагнитную энергию. Гальванический элемент можно представить как имеющий "зарядовый насос" атомных размеров на каждом электроде, то есть:

Источник ЭДС можно рассматривать как своего рода зарядный насос, который перемещает положительные заряды из точки. низкого потенциала через его внутреннюю часть до точки высокого потенциала. … Химическим, механическим или другим способом источник ЭДС выполняет работу dW над этим зарядом, перемещая его на вывод с высоким потенциалом. ЭДС ℰ источника определяется как работа dW, совершаемая на заряд dq. ℰ = $d\; W\; dq\; \{\backslash \; textstyle\; \{\backslash \; frac\; \{\{\backslash \; mathit\; \{d\}\}\; W\}\; \{\{\backslash \; mathit\; \{d\}\}\; q\}\}\}$.

В электрическом генераторе переменное во времени магнитное поле внутри генератора создается электрическое поле посредством электромагнитной индукции, которое создает разницу напряжений между выводами генератора. Разделение зарядов происходит внутри генератора, потому что электроны текут от одного вывода к другому, пока в случае разомкнутой цепи не разовьется электрическое поле, делающее невозможным дальнейшее разделение зарядов. ЭДС компенсируется электрическим напряжением из-за разделения зарядов. Если нагрузка подключена, это напряжение может управлять током. Общий принцип, регулирующий ЭДС в таких электрических машинах, - это закон индукции Фарадея.

История

Примерно в 1830 году Майкл Фарадей установил, что химические реакции на каждом из двух электрод-электролит Интерфейсы обеспечивают «место действия ЭДС» для гальванического элемента. То есть эти реакции приводят в движение ток, а не являются бесконечным источником энергии, как предполагалось изначально. В случае разомкнутой цепи разделение зарядов продолжается до тех пор, пока электрическое поле разделенных зарядов не станет достаточным для остановки реакций. Несколькими годами ранее Алессандро Вольта, который измерил контактную разность потенциалов на границе раздела металл-металл (электрод-электрод) своих ячеек, ошибочно считал, что контакт сам по себе (без учета химической реакции) была источником ЭДС.

Обозначения и единицы измерения

Электродвижущая сила часто обозначается $E\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\}$или ℰ (заглавная буква E, Юникод U + 2130).

В устройстве без внутреннего сопротивления, если электрический заряд Q проходит через это устройство и получает энергию Вт, чистая ЭДС для этого устройства является энергией за единицу заряда, или W / Q. Как и другие меры энергии на заряд, ЭДС использует СИ единица вольт, что эквивалентно джоуля на кулон.

Электродвижущая сила в электростатические единицы - это статвольт (в системе единиц сантиметр-грамм-секунда, равная эрг на электростатическую единицу заряд ).

Формальные определения

Внутри разомкнутого источника ЭДС консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением зарядов, в точности нейтрализует силы, производящие ЭДС. Таким образом, ЭДС имеет то же значение, но противоположный знак, что и интеграл электрического поля, выровненного по внутреннему пути между двумя выводами A и B источника ЭДС в состоянии холостого хода (путь взят от отрицательного вывода к положительному выводу, чтобы получить положительную ЭДС, указывающую на работу, проделанную с электронами, движущимися в цепи). Математически:

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

где Ecs- это консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением зарядов, связанным с ЭДС, d ℓ является элементом пути от терминала A к терминалу B, а «·» обозначает вектор скалярное произведение. Это уравнение применяется только к точкам A и B, которые являются терминалами, и не применяется (электродвижущая сила существует только в пределах границ источника) к путям между точками A и B с участками вне источника ЭДС. Это уравнение включает электростатическое электрическое поле из-за разделения зарядов Ecsи не включает (например) какую-либо неконсервативную составляющую электрического поля из-за закона индукции Фарадея.

В случае замкнутого пути в присутствии переменного магнитного поля интеграл электрического поля вокруг замкнутого контура может быть отличным от нуля; Одним из распространенных применений концепции ЭДС, известной как «наведенная ЭДС», является напряжение, индуцированное в такой петле. «Индуцированная ЭДС» вокруг неподвижного замкнутого пути C равна:

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

где E - полное электрическое поле, консервативное и неконсервативное, а интеграл вычисляется по произвольной, но неподвижной замкнутой кривой C, через которую проходит переменное магнитное поле. Электростатическое поле не влияет на чистую ЭДС вокруг цепи, потому что электростатическая часть электрического поля консервативна (т. Е. Работа, совершаемая против поля вокруг замкнутого пути, равна нулю, см. Кирхгофа. закон напряжения, который действует, пока элементы схемы остаются в покое и излучение игнорируется).

Это определение может быть расширено до произвольных источников ЭДС и движущихся путей C:

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

$+\; 1\; q\; \oint \; CE\; ffectivechemicalforce\; s\; \cdot \; d\; \ell \; \{\backslash \; displaystyle\; +\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{q\}\}\; \backslash \; oint\; \_\; \{C\}\; \backslash \; mathrm\; \{Эффективные\; \backslash \; химические\; \backslash \; силы\; \backslash \; \backslash \; cdot\}\; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; \{\backslash \; boldsymbol\; \{\backslash \; ell\}\}\; \backslash \}$

$+\; 1\; q\; \oint \; CE\; ffectivethermalforces\; \cdot \; d\; \ell ,\; \{\backslash \; displaystyle\; +\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{q\}\}\; \backslash \; oint\; \_\; \{C\}\; \backslash \; mathrm\; \{Эффективный\; \backslash \; Thermal\; \backslash \; Force\; \backslash \; \backslash \; cdot\}\; \backslash \; \backslash \; mathrm\; \{d\}\; \{\backslash \; boldsymbol\; \{\backslash \; ell\}\}\; \backslash ,\}$

, которое в основном является концептуальным уравнением, потому что определение «эффективных сил» затруднительно.

В (электрохимической) термодинамике

При умножении на величину заряда dQ ЭДС ℰ дает термодинамический рабочий член ℰdQ, который используется в формализме для изменения энергии Гиббса при прохождении заряда в батарее:

$d\; G\; =\; -\; S\; d\; T\; +\; V\; d\; P\; +\; E\; d\; Q,\; \{\backslash \; displaystyle\; dG\; =\; -SdT\; +\; VdP\; +\; \{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\; dQ\; \backslash ,\}$

где G - свободная энергия Гибба, S - энтропия, V - объем системы, P - ее давление, а T - ее абсолютная температура.

Комбинация (ℰ, Q) является примером пары сопряженных переменных . При постоянном давлении указанное выше соотношение создает соотношение Максвелла, которое связывает изменение напряжения открытого элемента с температурой T (измеряемая величина) с изменением энтропии S при прохождении заряда изотермически и изобарически. Последнее тесно связано с реакцией энтропией электрохимической реакции, которая придает батарее ее мощность. Это отношение Максвелла:

$(\partial \; E\; \partial \; T)\; Q\; =\; -\; (\partial \; S\; \partial \; Q)\; T\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; \{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\}\; \{\backslash \; partial\; T\}\})\; \backslash \; right)\; \_\; \{Q\}\; =\; -\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; S\}\; \{\backslash \; partial\; Q\}\}\; \backslash \; right)\; \_\; \{T\}\}$

Если моль ионов переходит в раствор (например, в ячейке Даниэля, как обсуждается ниже) заряд через внешнюю цепь составляет:

$\Delta \; Q\; =\; -\; n\; 0\; F\; 0,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; Q\; =\; -n\_\; \{0\}\; F\_\; \{0\}\; \backslash ,\}$

где n 0 - количество электронов / ион, F 0 - это постоянная Фарадея, а знак минус указывает разряд элемента. Предполагая постоянное давление и объем, термодинамические свойства ячейки строго связаны с поведением ее ЭДС следующим образом:

$\Delta \; H\; =\; -\; n\; 0\; F\; 0\; (E\; -\; T\; d\; E\; d\; T),\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; H\; =\; -n\_\; \{0\}\; F\_\; \{0\}\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\; -\; T\; \{\backslash \; frac\; \{d\; \{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\}\; \{dT\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

где ΔH - энтальпия реакции. Все величины справа можно измерить напрямую. При постоянных температуре и давлении:

$\Delta \; G\; =\; -\; n\; 0\; F\; 0\; E\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; G\; =\; -n\_\; \{0\}\; F\_\; \{0\}\; \{\backslash \; mathcal\; \{E\}\}\}$

, который используется в вывод уравнения Нернста.

Разность напряжений

Разность электрических напряжений иногда называют ЭДС. Приведенные ниже пункты иллюстрируют более формальное использование с точки зрения различия между ЭДС и генерируемым напряжением:

1. Для цепи в целом, например, содержащей резистор, соединенный последовательно с гальваническим элементом, электрическое напряжение не влияет на к общей ЭДС, потому что разница напряжений при обходе цепи равна нулю. (Омическое падение напряжения ИК-излучения плюс приложенное электрическое напряжение суммируются до нуля. См. закон Кирхгофа для напряжения ). ЭДС возникает исключительно из-за химического состава батареи, которая вызывает разделение заряда, что, в свою очередь, создает электрическое напряжение, управляющее током.
2. Для схемы, состоящей из электрического генератора, который пропускает ток через резистор, ЭДС возникает исключительно из-за изменяющегося во времени магнитного поля внутри генератора, которое генерирует электрическое напряжение, которое, в свою очередь, управляет током. (Омическое падение ИК-излучения плюс приложенное электрическое напряжение снова равно нулю. См. закон Кирхгофа )
3. A трансформатор, соединяющий две цепи, может считаться источником ЭДС для одной из цепей, как если бы она была вызвана электрический генератор; этот пример иллюстрирует происхождение термина «трансформаторная ЭДС».
4. A фотодиод или солнечный элемент можно рассматривать как источник ЭДС, аналогичный батарее, что приводит к электрическое напряжение, генерируемое разделением зарядов под действием света, а не химической реакции.
5. Другими устройствами, которые производят ЭДС, являются топливные элементы, термопары и термобатареи.

В случае разомкнутой цепи электрический заряд, который был разделен механизмом, генерирующим ЭДС, создает электрическое поле, противоположное механизму разделения. Например, химическая реакция в гальваническом элементе останавливается, когда противоположное электрическое поле на каждом электроде достаточно сильное, чтобы остановить реакции. предотвратить реакции в так называемых обратимых ячейках.

Разделенный электрический заряд создает электрическую разность потенциалов, которую можно измерить с помощью вольтметра между клеммами устройства. Величина ЭДС для аккумулятора (или другого источника) - это значение этого напряжения «холостого хода». Когда батарея заряжается или разряжается, сама ЭДС не может быть измерена напрямую с использованием внешнего напряжения, потому что некоторое напряжение теряется внутри источника. Однако это можно сделать из измерения тока I и разности напряжений V при условии, что внутреннее сопротивление r уже было измерено: = V + Ir.

Поколение

Источники химии

Типичный путь реакции требует, чтобы исходные реагенты пересекали энергетический барьер, переходили в промежуточное состояние и, наконец, появлялись в конфигурации с более низкой энергией. Если используется разделение зарядов, эта разница в энергии может привести к возникновению ЭДС. См. Bergmann et al. и переходное состояние. Гальванический элемент с использованием солевого моста

Вопрос о том, как батареи (гальванические элементы ) генерируют ЭДС, занимал ученых большую часть 19 века.. «Местонахождение электродвижущей силы» было определено в 1889 г. Вальтером Нернстом в основном на границах раздела между электродами и атомами электролита.

в молекулах или твердые вещества удерживаются вместе химической связью, которая стабилизирует молекулу или твердое тело (т.е. снижает его энергию). Когда молекулы или твердые вещества с относительно высокой энергией объединяются, может происходить самопроизвольная химическая реакция, которая изменяет связь и снижает (свободную) энергию системы. В батареях сопряженные полуреакции, часто с участием металлов и их ионов, протекают в тандеме, с увеличением количества электронов (называемым «восстановлением») одним проводящим электродом и потерей электронов (называемым «окислением») другим (восстановление-окисление). или окислительно-восстановительные реакции ). Спонтанная общая реакция может происходить только в том случае, если электроны движутся по внешнему проводу между электродами. Выделенная электрическая энергия - это свободная энергия, теряемая системой химической реакции.

В качестве примера, элемент Даниэля состоит из цинкового анода (коллектора электронов), который окисляется по мере его растворяется в растворе сульфата цинка. Растворяющийся цинк оставляет свои электроны в электроде в соответствии с реакцией окисления (s = твердый электрод; aq = водный раствор):

$Z\; n\; (s)\; \to \; Z\; n\; (aq)\; 2\; +\; +\; 2\; e\; -\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{Zn\; \_\; \{(s)\}\; \backslash \; rightarrow\; Zn\; \_\; \{(aq)\}\; ^\; \{2\; +\}\; +\; 2e\; ^\; \{-\}\; \backslash \}\}$

Сульфат цинка является электролитом в этой половине ячейки. Это раствор, содержащий катионы цинка $Z\; n\; 2\; +\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{Zn\}\; \_\; \{\}\; ^\; \{2+\}\}$и анионы сульфата $SO\; 4\; 2\; -\; \{\; \backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{SO\}\; \_\; \{4\}\; ^\; \{2\; -\}\; \backslash \}$со ставками, равными нулю.

В другой половине ячейки катионы меди в электролите из сульфата меди перемещаются к медному катоду, к которому они прикрепляются, поскольку они принимают электроны от медного электрода в результате реакции восстановления:

$C\; u\; (aq)\; 2\; +\; +\; 2\; е\; -\; \to \; С\; u\; (s)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{Cu\; \_\; \{(aq)\}\; ^\; \{2\; +\}\; +\; 2e\; ^\; \{-\}\; \backslash \; rightarrow\; Cu\; \_\; \{(s)\}\; \backslash \}\}$

что оставляет дефицит электронов на медном катоде. Разница в количестве избыточных электронов на аноде и дефиците электронов на катоде создает электрический потенциал между двумя электродами. (Подробное обсуждение микроскопического процесса переноса электронов между электродом и ионами в электролите можно найти у Конвея.) Электрическая энергия, выделяемая в этой реакции (213 кДж на 65,4 г цинка), может быть объяснена главным образом за счет На 207 кДж слабее связывание (меньшая величина энергии когезии) цинка, который заполняет 3d- и 4s-орбитали, по сравнению с медью, у которой есть незаполненная орбиталь, доступная для связывания.

Если катод и анод соединены соединенные внешним проводником, электроны проходят через эту внешнюю цепь (лампочка на рисунке), в то время как ионы проходят через солевой мостик, чтобы поддерживать баланс заряда, пока анод и катод не достигнут электрического равновесия в ноль вольт по мере достижения химического равновесия в ячейке. При этом цинковый анод растворяется, а медный электрод покрывается медью. Так называемый «солевой мостик» должен замкнуть электрическую цепь, не позволяя ионам меди перемещаться к цинковому электроду и восстанавливаться там без создания внешнего тока. Он сделан не из соли, а из материала, способного переносить катионы и анионы (диссоциированную соль) в растворы. Поток положительно заряженных катионов по «мосту» эквивалентен тому же количеству отрицательных зарядов, текущих в противоположном направлении.

Если лампочка убрана (разомкнутая цепь), ЭДС между электродами противодействует электрическому полю из-за разделения зарядов, и реакции прекращаются.

Для данного химического состава ячейки при 298 K (комнатная температура) ЭДС ℰ = 1,0934 В с температурным коэффициентом dℰ / dT = -4,53 × 10 В / K.

Гальванические элементы

Вольта разработал гальванический элемент около 1792 года и представил свою работу 20 марта 1800 года. Вольта правильно определил роль разнородных электродов в создании напряжения, но неверно отверг любую роль электролита. Вольта упорядочил металлы в «серии напряжений», «то есть в таком порядке, что любой элемент в списке становится положительным при контакте с любым успешным, но отрицательным при контакте с любым предшествующим». Типичное условное обозначение в схеме этой схемы (- ||-) будет иметь длинный электрод 1 и короткий электрод 2, чтобы указать, что электрод 1 доминирует. Закон Вольта об ЭДС противоположных электродов подразумевает, что с учетом десяти электродов (например, цинка и девяти других материалов) можно создать 45 уникальных комбинаций гальванических элементов (10 × 9/2).

Типичные значения

Электродвижущая сила, создаваемая первичными (одноразовыми) и вторичными (перезаряжаемыми) элементами, обычно составляет порядка нескольких вольт. Цифры, указанные ниже, являются номинальными, поскольку ЭДС зависит от величины нагрузки и степени истощения элемента.

ЭДС	Химический состав ячейки			Общее название
	Анод	Растворитель, электролит	Катод
1,2 В	Кадмий	Вода, гидроксид калия	NiO (OH)	никель-кадмий
1,2 В	Мишметалл (поглощает водород)	Вода, гидроксид калия	Никель	никель-металлогидрид
1,5 V	Цинк	Вода, хлорид аммония или цинка	Углерод, диоксид марганца	Цинк-уголь
2,1 В	Свинец	Вода, серная кислота	Диоксид свинца	Свинцово-кислотный
от 3,6 В до 3,7 V	Графит	Органический растворитель, соли лития	LiCoO 2	Литий-ионный
1,35 V	Цинк	Вода, гидроксид натрия или калия	HgO	Ртутный элемент

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция - это создание циркулирующего электрического поля зависящим от времени магнитным полем. Зависящее от времени магнитное поле может создаваться либо движением магнита относительно цепи, движением цепи относительно другой цепи (по крайней мере, одна из них должна пропускать электрический ток), либо изменением электрического тока в цепи. фиксированная схема. Влияние изменения электрического тока на саму цепь известно как самоиндукция; влияние на другую цепь известно как взаимная индукция.

Для данной цепи электромагнитно индуцированная ЭДС определяется исключительно скоростью изменения магнитного потока через цепь в соответствии с законом индукции Фарадея.

ЭДС индуцируется в катушке или проводнике всякий раз, когда происходит изменение магнитопроводов. В зависимости от того, каким образом происходят изменения, существует два типа: когда проводник перемещается в стационарном магнитном поле, чтобы вызвать изменение магнитной связи, ЭДС индуцируется статически. Электродвижущая сила, создаваемая движением, часто называется двигательной ЭДС. Когда изменение магнитной связи возникает из-за изменения магнитного поля вокруг неподвижного проводника, ЭДС индуцируется динамически. Электродвижущая сила, создаваемая изменяющимся во времени магнитным полем, часто называется ЭДС трансформатора.

Контактные потенциалы

Когда твердые тела из двух разных материалов находятся в контакте, термодинамическое равновесие требует, чтобы одно из твердых тел принимало более высокий электрический потенциал, чем другое. Это называется контактным потенциалом. При контакте разнородных металлов возникает так называемая контактная электродвижущая сила или потенциал Гальвани. Величина этой разности потенциалов часто выражается как разница в уровнях Ферми в двух твердых телах, когда они находятся в зарядовой нейтральности, где уровень Ферми (название для химического потенциала электронная система) описывает энергию, необходимую для удаления электрона из тела в некоторую общую точку (например, землю). Если есть энергетическое преимущество в переносе электрона от одного тела к другому, такая передача произойдет. Перенос вызывает разделение зарядов, при этом одно тело получает электроны, а другое теряет электроны. Этот перенос заряда вызывает разность потенциалов между телами, которая частично нейтрализует потенциал, возникающий из контакта, и в конечном итоге достигается равновесие. При термодинамическом равновесии уровни Ферми равны (энергия удаления электронов идентична), и теперь между телами существует встроенный электростатический потенциал. Первоначальная разница уровней Ферми до контакта называется ЭДС. Контактный потенциал не может управлять постоянным током через нагрузку, подключенную к его клеммам, потому что этот ток будет включать перенос заряда. Не существует механизма для продолжения такой передачи и, следовательно, поддержания тока после достижения равновесия.

Можно спросить, почему контактный потенциал не фигурирует в законе напряжений Кирхгофа как один вклад в сумму падений потенциала. Обычный ответ состоит в том, что любая схема включает в себя не только конкретный диод или переход, но также все контактные потенциалы из-за проводки и так далее по всей цепи. Сумма всех контактных потенциалов равна нулю, поэтому их можно не учитывать в законе Кирхгофа.

Солнечный элемент

Эквивалентная схема солнечного элемента; паразитные сопротивления игнорируются при обсуждении текста. Напряжение солнечного элемента как функция тока солнечного элемента, подаваемого на нагрузку, для двух индуцированных светом токов I L ; токи как отношение к обратному току насыщения I 0. Сравните с рис. 1.4 у Нельсона.

Работа солнечного элемента можно понять из эквивалентной схемы справа. Свет с достаточной энергией (больше, чем запрещенная зона материала) создает подвижные электронно-дырочные пары в полупроводнике. Разделение зарядов происходит из-за ранее существовавшего электрического поля, связанного с p-n переходом в тепловом равновесии. (Это электрическое поле создается встроенным потенциалом, который возникает из контактного потенциала между двумя разными материалами в соединении.) Разделение зарядов между положительными дырками и отрицательные электроны на pn переходе (диод ) создают прямое напряжение, фото-напряжение, между освещенными выводами диода, которое возбуждает ток. через любой прикрепленный груз. Фото-напряжение иногда называют фото-ЭДС, различая следствие и причину.

Ток, доступный для внешней цепи, ограничен внутренними потерями I 0=ISH+ I D:

$I\; =\; IL\; -\; I\; 0\; =\; IL\; -\; ISH\; -\; ID\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; =\; I\_\; \{L\}\; -I\_\; \{0\}\; =\; I\_\; \{L\}\; -I\_\; \{SH\}\; -I\_\; \{D\}\}$

Потери ограничивают ток, доступный для внешней цепи. Индуцированное светом разделение зарядов в конечном итоге создает ток (называемый прямым током) I SH через соединение элемента в направлении, противоположном тому, что свет управляет током. Кроме того, индуцированное напряжение имеет тенденцию смещать переход в прямом направлении. На достаточно высоких уровнях это прямое смещение перехода вызовет прямой ток I D в диоде, противоположный тому, который индуцируется светом. Следовательно, наибольший ток получается в условиях короткого замыкания и обозначается как I L (для светоиндуцированного тока) в эквивалентной схеме. Примерно такой же ток получается для прямых напряжений до точки, где диодная проводимость становится значительной.

Ток, подаваемый светящимся диодом во внешнюю цепь, равен:

$I\; =\; IL\; -\; I\; 0\; (экв\; В\; /\; (мкТл)\; -\; 1),\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; =\; I\_\; \{L\}\; -I\_\; \{0\}\; \backslash \; left\; (e\; ^\; \{qV\; /\; (mkT)\}\; -\; 1\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

где I 0 - обратный ток насыщения. Где два параметра, которые зависят от конструкции солнечного элемента и в некоторой степени от самого напряжения, - это коэффициент идеальности m и kT / q тепловое напряжение (около 0,026 В при комнатной температуре). Это соотношение показано на рисунке с использованием фиксированного значения m = 2. В условиях холостого хода (то есть, когда I = 0) напряжение холостого хода - это напряжение, при котором прямое смещение перехода достаточно, чтобы прямое смещение ток полностью уравновешивает фототок. Решив вышеуказанное для напряжения V и обозначив его как напряжение холостого хода уравнения I – V как:

$V\; oc\; =\; mk\; T\; q\; ln\; \; (ILI\; 0\; +\; 1),\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; text\; \{oc\}\}\; =\; m\; \backslash \; \{\backslash \; frac\; \{kT\}\; \{q\}\}\; \backslash \; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{I\; \_\; \{\backslash \; text\; \{L\}\}\}\; \{I\_\; \{0\}\}\}\; +\; 1\; \backslash \; справа)\; \backslash ,\}$

, что полезно для указания логарифмической зависимости V oc от индуцированного светом тока. Обычно напряжение холостого хода не превышает примерно 0,5 В.

При возбуждении нагрузки фото-напряжение является переменным. Как показано на рисунке, при сопротивлении нагрузки R L элемент развивает напряжение, которое находится между значением короткого замыкания V = 0, I = I L и значением разомкнутой цепи. значение цепи V oc, I = 0, значение, заданное законом Ома V = IR L, где ток I - это разница между коротким замыканием ток и ток из-за прямого смещения перехода, как указано в эквивалентной схеме (без учета паразитных сопротивлений ).

В отличие от батареи, при уровнях тока, подаваемых во внешнюю цепь, близких к I L, солнечный элемент действует скорее как генератор тока, чем как генератор напряжения (около вертикальной части двух проиллюстрированных кривых). Потребляемый ток почти фиксирован в диапазоне напряжений нагрузки, до одного электрона на преобразованный фотон. квантовая эффективность, или вероятность получения электрона фототока на падающий фотон, зависит не только от самого солнечного элемента, но и от спектра света.

См. Также

• Противоэлектродвижущая сила
• Электрическая батарея
• Электрохимическая ячейка
• Электролитическая ячейка
• Гальваническая ячейка
• Гальваническая батарея

Ссылки

Дополнительная литература

• Джордж Ф. Баркер, «Об измерении электродвижущей силы ». Труды Американского философского общества, проводимого в Филадельфии для продвижения полезных знаний, Американского философского общества. 19 января 1883 г.
• Эндрю Грей, «Абсолютные измерения электричества и магнетизма», Электродвижущая сила. Macmillan and co., 1884.
• Чарльз Альберт Перкинс, «Очертания электричества и магнетизма», Измерение электродвижущей силы. Генри Холт и др., 1896.
• Джон Ливингстон Ратгерз Морган, «Элементы физической химии», Электродвижущая сила. J. Wiley, 1899.
• "Abhandlungen zur Thermodynamik, von H. Helmholtz. Hrsg. Von Max Planck". (Тр. «Статьи по термодинамике, о Х. Гельмгольце. Hrsg. Макса Планка».) Лейпциг, В. Энгельманн, Оствальд, классический автор серии точных наук. Новое следствие. № 124, 1902.
• Теодор Уильям Ричардс и Густав Эдвард Бер, мл., «Электродвижущая сила железа в различных условиях и эффект захваченного водорода». Вашингтонский институт Карнеги, серия публикаций, 1906. LCCN 07-3935
• Генри С. Кархарт, «Термо-электродвижущая сила в электрических элементах, термо-электродвижущая сила между металлом и раствором. одной из его солей ». Нью-Йорк, компания Д. Ван Ностранда, 1920. LCCN 20-20413
• Хейзел Россотти, «Химические применения потенциометрии». Лондон, Принстон, Нью-Джерси, Ван Ностранд, 1969. ISBN 0-442-07048-9 LCCN 69-11985
• Набенду С. Чоудхури, 1973. «Измерения электродвижущей силы на элементах с твердым электролитом из бета-оксида алюминия». Техническая записка НАСА, D-7322.
• Джон О'М. Бокрис; Амуля К. Н. Редди (1973). "Электродикс". Современная электрохимия: введение в междисциплинарную область (2-е изд.). Springer. ISBN 978-0-306-25002-6.
• Робертс, Дана (1983). «Как работают батареи: гравитационный аналог». Am. J. Phys. 51 (9): 829. Bibcode : 1983AmJPh..51..829R. doi : 10,1119 / 1,13128.
• G. W. Burns и др., «Эталонные функции температуры и электродвижущей силы и таблицы для обозначенных буквами типов термопар на основе ITS-90». Гейтерсбург, доктор медицины: Департамент торговли США, Национальный институт стандартов и технологий, Вашингтон, Супт. of Docs., U.S. G.P.O., 1993.
• Norio Sato (1998). «Полупроводниковые фотоэлектроды». Электрохимия на металлических и полупроводниковых электродах (2-е изд.). Эльзевир. п. 326 сл. ISBN 978-0-444-82806-4.
• Хай, Фам Нам; Охя, Шинобу; Танака, Масааки; Барнс, Стюарт Э.; Маэкава, Садамити (2008-03-08). "Electromotive force and huge magnetoresistance in magnetic tunnel junctions". Nature. 458(7237): 489–92. Bibcode :2009Natur.458..489H. doi :10.1038/nature07879. PMID 19270681.

.