Електромоторна сила

Електромоторна сила, наречена и ЕМС (ознака ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$, и единица мерка еден волт),^[1] — напонот развиен од страна на било кој извор на електрична енергија, како што се батеријата или динамо. Генерално се дефинира како електричен потенцијал на изворот во едно коло.^[2] Уред кој е снабдувач со електрична енергија се нарекува извор на електромоторна сила или 'емс' . Емс може да се добие од хемиски, механички и други облици на енергија преку електрична енергија.^[3] Добиената електрична енергија од таков уред е исто така позната како ЕМС.

Зборот "сила" во овој случај не се користи за да се означи механичка Сила, која се мери во Њутни, туку еден потенцијал, или енергија по единица на напојување, која се мери во волти.

Кај електромагнетната индукција, ЕМС може да се дефинира околу затворена јамка како електромагнетна работа што ќе се направи на еден полнеж ако направи еден круг околу таа јамка.^[4] (Иако полнежот се движи низ целата јамка, тој истовремено може да ја изгуби енергија во вид на топлинска енергија преку отпорот.) За временско променлив магнетен флукс поврзуван со јамката, а потенцијалното електрично скаларно поле не е дефинирано поради циркулирачкото електрично векторско поле, но сепак постои ЕМС и таа може да се измери како виртуелен електричен потенцијал околу таа јамка.^[5]

Во случај на двотерминален уред (како што е електрохемиската ќелија или електромагнетниот генератор) кој е моделиран како Тевениново еквивалентно коло, еквивалентната ЕМС може да се измери како отворено коло на разлика на потенцијали или напонска разлика помеѓу два терминала. Оваа потенцијална разлика може да создаде тек на струја доколку се додаде надворешното коло на терминалите.

Уредите кои можат да создадат ЕМС се: електрохемиски ќелии, термоелектрични уреди, сончеви ќелии, фотодиоди, електрични генератори, трансформатори, па дури и Ван де Графов генератор.^[5][6] Во природата, ЕМС се создава кога осцилациите на магнетно поле се случуваат преку одредена површината. Со менувањето на Земјиното магнетно поле за време на геомагнетна бура, се индуцира струја во електричната мрежа, додека линиите на магнетното поле се преместуваат и се сечат низ проводниците.

Кај батеријата, поделбата на напојувањето кое доведува до зголемување на промената на напонот помеѓу терминалите, се остварува од страна на хемиски реакции на електродите кои ја претвораат хемиската потенцијална енергија во електромагнетна потенцијална енергија.^[7][8] Волтаичната ќелија може да се смета како „полнежна пумпа“ со атомски димензии на секоја од електродите, тоа:^[9]

За извор на ЕМС може да се смета и како еден вид на „полнежна пумпа“ која што дејствува за да се движи позитивниот полнеж од низок потенцијал преку нејзината внатрешност до точка на висок потенцијал. ... Со хемиски, механички или други средства, изворот на ЕМС врши работа dW на ова напојување за да се движи кон високо потенцијалниот терминал. ЕМС ℰ на изворот се дефинира како работа "dW " направена за полнеж dq : ℰ = dW / dq .

Околу 1830 година, Мајкл Фарадеј утврди дека реакциите на секоја од двете електродни-електролитни пресеци обезбедува "извор на ЕМС" за галванска ќелија, односно, овие реакции ја движат струјата и не се бескрајни извори на енергија како што се мислело на почетокот.^[10] Во случај на отворено коло, одвојувањето на напојувањто продолжува сè додека електрично поле од одвоените напојувања, е доволно за да реагира со реакциите. Години пред тоа, Алесандро Волта, кој го измерил контактот на потенцијалната разлика на пресеците на метал-метал (електрода-електрода) на неговите ќелии, го застапувал неточното мислење дека контактот сам (без да се земе предвид хемиска реакција) е изворот на ЕМС.

Во случајот на електричениот генератор, временско променливото магнетно поле во внатрешноста на генераторот, создава електрично поле преку електромагнетна индукција, што пак создава разлика меѓу напонот на електродите на генераторот. Одвојувањето на напојувањето се врши во генераторот на тој начин што електроните што се одвојуваат од едната електрода се движат кон другата електрода, додека пак, во случај на отворено коло, се насобира доволно силно електрично поле за да понатамошните одвојувања на напојувањето станат невозможни. Повторно, на ЕМС и се спротивставува електричниот напон поради одвојувањето на полнежите. Во случај на потрошувач, овој напон може да предизвика да протече струја. Општиот принцип со кој ја опишува ЕМС во такви електрични машини е наречен Фарадеев закон за индукција.

Означување и мерни единици

Електромоторната сила често се означува со ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ или ℰ.

Во уред без внатрешен отпор, ако електричениот полнеж Q поминува низ тој уред, и се стекнува со енергија W , вкупната ЕМС за тој уред е енергијата која се стекнала за единица електричен полнеж или W / Q . Како и другите мерки за енергија за еден полнеж, така и ЕМС има SI единица волт, што е еквивалентна на [[џул]] на кулон.^[11]

Електромоторната сила во електростатички единици е статволт, ( еднаква на количината на erg во една електростатичка единица на полнежот).

Формални дефиниции на електромоторна сила

Во изворот на ЕМС што е во вид на отворено коло, запазувачкото електростатичко поле создадено од раздвојувањето на полнежот ги поништува силите кои ја создаваат ЕМС. Така, ЕМС ќе има иста вредност, но со спротивен знак како интегралот на електричното поле усогласено со внатрешното растојание помеѓу двата пола А и B на изворот на ЕМС во состојба на отворено коло (патеката е земена од негативниот пол кон позитивниот пол, за да се добие позитивна ЕМС, што укажува на работата направена на електроните кои се движат во колото).^[12] Матемтички:

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

каде E_cs е запазувачкото електростатичко поле создадено од распределбата на полнежот поврзан со ЕМС, dℓ е елемент од патеката од полот A до полот B, и ‘·’ означува скаларен производ.^[13] Оваа равенка се однесува само за местоположбата на половите A и B, и не се однесуваат на патеки меѓу точките A и B со пропорции надвор од изворот на ЕМС. Оваа равенка го вклучува електростатичкото електрично поле поради распределбата на полнежот E_cs и не вклучува (на пример) каква било запазувачка компонента на електричното поле поради Фарадеевиот закон за индукција.

Во случај на затворена патека во присуство на променливо магнетно поле, интегралот од електричното поле низ затворена јамка може да биде различен од нула; еден познат концепт на примена на ЕМС, познат како "индуцирана ЕМС" односно напонот индуциран во една таква јамка.^[14] "Индуцираната емс" околу стационарна затворена патека C е:

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

каде што сега E е целото електрично поле, запазеното и незапазеното, и интегралот е околу една произволна, но стационарно затворена крива C низ која има променливо магнетно поле. Електростатичкото поле не придонесува кон вкупната ЕМС, околу колото, бидејќи електростатичкиот дел на електричното поле е запазувачко (тоа е, работата извршена спротивно на полето околу затворена патека е еднакво на нула).

Оваа дефиниција може да се прошири и на произволни извори на ЕМС и на други движечки патеки C:^[15]

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

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\ }$ ефективни хемиски сили • ${\displaystyle \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\ }$ ефективни топлински сили • ${\displaystyle \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$,

кој е концептуална равенка воглавно, бидејќи определувањето на „делотворните сили“ е многу тешко.

Електромоторната сила во термодинамиката

Помножена со количеството на полнежот  dQ, тогаш ЕМС ℰ ја определува термодинамичка работа ℰdQ која што се користи во формализмот при промените во Гибсовата енергија кога полнежот се префрла во батеријата:

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

каде G е Гибсовата слободна енергија, S е ентропијата, V е системскиот волумен, P е неговиот притисок и T е неговата апсолутната температура.

Комбинацијата ( ℰ, Z ) е пример за конјугиран пар на променливи. При константен притисок горенаведената врска доведува до Максвелова релација која ги поврзува полнежот во отворените делови на ќелијата со температурата T (мерлива количина) при промената на ентропијата S кога полнежот се разгледува изотермично и изобарично. Ова е тесно поврзано со реакционата ентропија на електрохемиската реакција која и ја дава на батеријата нејзината моќ. Оваа Максвелова релација е:^[16]

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

Ако мол од јони се вклучи во решението (на пример, во Даниелова ќелија, како што е опишано подолу), полнежот низ надворешното коло е:

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

каде n₀ е бројот на електрони/јони, и F₀ е Фарадеевата константа и знакот минус укажува на празнење на батеријата. Претпоставувајќи постојан притисок и волумен, термодинамичките својства на батеријата се поврзани целосно со однесувањето на нејзината ЕМС преку:^[16]

${\displaystyle \Delta H=-n_{0}F_{0}\left({\mathcal {E}}-T{\frac {d{\mathcal {E}}}{dT}}\right)\ ,}$

каде ΔH е енталпијата на реакцијата. Величините од десно се директно мерливи.

Електромоторна сила и напонска разлика

Разлика на електричниот напон, понекогаш се нарекува ЕМС.^{[17][18][19][20][21]} Начелата подолу ја илустрираат повеќе формалната употреба, во однос на разликата помеѓу ЕМС и напонот што таа го создава:

1. За колото во целина, како на пример коло кое што содржи сериско поврзани отпорници со галванични ќелии, електричниот напон не придонесува за целокупната ЕМС, затоа што разликата на напонот околу затворено коло е нула. (Омскиот IR пад на напонот плус применетиот електричен напон има збир еднаков на нула. Погледајте ги (Кирхофовите закони). ЕМС во целост се должи хемиските реакции во батеријата со што предизвикува распределба на полнежот, што пак создава електричен напон кој ја движи струјата.
2. За коло кое се состои од електричен генератор кој придвижува струја низ отпорник, ЕМС се должи единствено на магнетно поле кое се менува со текот на времето, во рамките на генератор што произведува електричен напон, кој за возврат ја придвижува струјата.(Омскиот IR пад, плус применетиот електричен напон, повторно се нула. Погледајте ги Кирхофовите закони).
3. Трансформатор кој поврзува две струјни кола може да се смета за извор на ЕМС за едно од колата, исто како да бил предизвикан од електричен генератор; Овој пример го илустрира потеклото на поимот „трансформатор на ЕМС“.
4. Фотодиода или сончева ќелија може да се смета како извор на ЕМС, слично на батеријата, која што резултира во електричен напон создаден од раздвојувањето на полнежот којшто е придвижен од светлината односно не е предизвикан од хемиски реакциии.^[22]
5. Други уреди што произведуваат ЕМС се: горивни ќелии, термодвојки, и термоспреги.^[23]

Во случај на отворено коло, електричниот полнеж којшто бил одвоен од механизмот кој создава ЕМС, создава електрично поле спротивно на механизмот на разделување. На пример, хемиската реакција во напонска ќелија престанува кога спротивставеното електрично поле во секоја од електродите е доволно јако за да ја зароби реакцијата. Поголемото спротивставено поле може да ја преиначи реакцијата во тн. реверзибилни ќелии.^[24][25]

Електричниот полнеж кој бил одделен создава електрична потенцијална разлика која може да биде измерена со Волтметар меѓу половите на уредот. Големината на ЕМС на батеријата (или други извори) е вредноста на таквиот напон во 'отвореното коло'. Кога батеријата се полни или празни, самата ЕМС не може да се измери директно со употреба на надвоершен напон, бидејќи дел од напонот е изгубен во изворот.^[18] Сепак можно е да се изведе преку мерење на струјата I и напонската разлика V, под услов внатрешниот отпор r да е веќе измерен: ℰ = V + Ir.

Создавање на електромоторната сила

Хемиски извори

Главна статија: Елкетрохемиска ќелија

Еден типичен пат на реакцијата бара почетните реактанти да ја преминат енергичната бариера, да влезат во средното ниво и конечно да излезат со конфигурација на пониска енергија. Ако одвојување на полнежите е вклучено, оваа разлика во енергијата може да резултира во ЕМС. Погледајте Бергманова и др.^[26] и состојба на премин.

Галванска ќелија со употреба на солен мост

Прашањето како батериите (галваниските ќелии) кои создаваат емс е прашање кое ги заитересирало научниците во 19-от век. „Потеклото на електромоторната сила“ било одредено од страна на Валтер Нернст меѓу врските на електродите и електролитите.^[10]

Молекулите се групи на атоми поврзани во целина преку хемиски врски, и овие врски во нив содржат електрични сили помеѓу електроните (негативни) и протоните (позитивни). Молекулата во изолација е стабилна, но кога различни молекули се собрани заедно, некои видови на молекули се во можност да украдат електрони од другите, што доведува до распределба на полнежите. Оваа прераспределба на полнежите е придружена со промена на енергија во системот и реконфигурација на атомите во молекулите.^[27] Добивањето на електрони се нарекува „редукција3 а загубата на електрони се нарекува „оксидација“. Реакциите во кој се јавува електронската размена (кои се основа за батериите) се нарекуваат редукционо-оксидациони реакции или редокс реакции. Во батеријата, електродата се состои од материјал кој се стекнува со електроните од супстанцата, а другата електрода пак губи електрони, поради основните молекуларни својства. Истото однесување може да се види во самите атоми, и нивната способност да украдат електрони се нарекува електронегативност.^[28]

Како пример, Даниеловата ќелија се состои од цинкова анода (собирач на електрони), кој се оксидизира додека е растворен во цинк сулфат, растворениот цинк ги остава зад себе неговите електрони во електродата според реакцијата на оксидација (s = цврста електрода; aq = воден раствор):

${\displaystyle \mathrm {Zn_{(s)}\rightarrow Zn_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\ } }$

Цинк сулфатот е електролит во половина од ќелијата. Тоа е раствор кој содржи цинк катјони ${\displaystyle \mathrm {Zn} _{}^{2+}}$, и сулфат анјони ${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}\ }$ со полнежи коишто се избалансирани на нула.

Во другиот дел на ќелијата, бакарните катјони во електролитот од бакар сулфат, се придвижени кон бакарната катода на која самите се прикачуваат и ги придобиваат електроните од бакарната електрода преку редукциони реакции

${\displaystyle \mathrm {Cu_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu_{(s)}\ } }$

создавајќи недостиг на електрони на бакарната катода. Разликата од вишокот на електрони на анодата и недостигот на електрони на катодата создава потенцијална разлика меѓу двете електроди. (Подетална дискусија за микроскопските процеси за преносот на електрони меѓу електродите и јоните во електролитите може да се најде во Конвеј.)^[29]

Ако катодата и анодата се споени со надворешен проводник, електроните би можеле да преминат низ надворешното коло (на пример светилка), додека јоните поминуваат низ солен мост за да го уравнотежат полнежот со текот на времето што на катодата и анодата им треба за да постигнат електрична рамнотежа од нула волти, а за тоа време да се постигне и хемиска рамнотежа меѓу ќелиите. При процесот, цинковата анода се раствора додека пак бакарната електродата е обложена со бакар.^[30] Таканаречениот „солен мост“ не е направен од сол туку може да биде направен од материјал којшто е во можност да ги прилепи катјоните и анјоните (солите) во растворите, каде што протокот на позитивно наелектризирани катјони низ „мостот“ има иста бројчена вредност со негативно наелектризираните полнежи што протекуваат во спротивна насока.

Ако светилката е отстранета (отворено коло) тогаш ЕМС меѓу електродите е спротивставена на електричното поле поради распределувањето на полнежот и од оваа причина реакцијата застанува.

Особено за оваа постаеност на хемиската ќелија, со 298 K (собна температура), ЕМС ℰ = 1.0934 V, со температурен коефициент од dℰ/dT = −4.53×10⁻⁴ V/K.^[16]

Галванични клетки

Волта ги развил волтините ќелии околу 1792 година, и ја прикажал својата работа на 20 март 1800 година.^[31] Волта точно ја идентификувал улогата на различните електроди при создавањето на напонот, но неточно ја препознал улогата на електролитот.^[32] Волта ги наредил металите во 'серии на напнатост', „т.е. во ред така што секој метал од списокот да стане позитивен кога е во контакт со металот кој следи, но со негативен контакт со оној што му претходи.“^[33] Типична симболична конвенција во шема на ова коло ( –||– ) би имала долга електрода 1 и кратка електрода 2, да покажува дека електродата 1 доминира. Законот на Волта за спротивставените електроди на ЕМС укажува дека, ако ни се дадени 10 електроди (на пример, цинк и 9 други материјали), тогаш можат да се направат 45 уникатни комбинации од волтаични ќелии (10 × 9/2).

Електромоторна сила кај ќелиите

Електромоторната сила произведена од првични (еднократни) и секундарни (повеќекратни) ќелии изнесува неколку волти. Вредностите покажани подолу се премногу мали, поради тоа што ЕМС варира во согласност со големината на напојувањето и состојбата на исцрпеност на ќелиите.

ЕМС	Хемиска ќелија			Вообичаено име
	Анода	Растворувач, Електролит	Катода
1,2 V	кадмиум	вода, калиум хидроксид	NiO(OH)	никел-кадмиумова
1,2 V	мишметал (впива водород)	вода, калиум хидроксид	никел	никел–метално хидридна
1,5 V	цинк	вода, амониум или цинк хлорид	јаглен, манган диоксид	цинково-јаглеродна
2,1 V	олово	вода, сулфурна киселина	олово диоксид	оловно–киселинска
3,6 V to 3,7 V	графит	органски растворувач, Li соли	LiCoO2	литиум-јонски
1,35 V	цинк	вода, натриум или калиум хидроксид	HgO	живина ќелија

Електромагнетна индукција

Главна статија: Фарадеев закон за индукција

Принципот на електромагнетната индукција, спомнат погоре, покажува дека магнетно поле кое не се менува со текот на времето може да произведе променливо електично поле. Ваквото магнетно поле може да биде создадено или од движењето на магнет нормален на колото низ колото, односно движење на коло релативно на друго коло (барем низ едно од овие мора да протекува струја), или преку промена на струјата во неподвижно коло. Ефектот на самото коло, при промената на струјата, е познато како самоиндукција; ефектот на уште едно коло е познато како заемна индукција.

За дадено коло, електромагнетно индуцираната ЕМС, се определува целосно од стапката на промена на магнетниот тек низ колото, според Фарадеевиот закон за индукција.

ЕМС е индуцирана и во калем или спроводник ако има промена на текоспојовите. Во зависност од начинот на кој се поттикнати промените, постојат два вида: кога спроводникот е преместен во стационарно магнетно поле да произведе промена во флуксното поврзување, тогаш ЕМС е стационарно индуцирана. Електромоторната сила создадена од движењето е често наречена движечка ЕМС. Кога промената на флуксовото поврзување се зголемува од промената на магнетното поле низ неподвижниот спроводник, ЕМС е динамично индуцирана. Електромоторната сила создадена од магнетното поле кое се менува со текот на времето, е наречена трансформирана ЕМС.

Потенцијали на контакт

Поврзано: Волтин потенцијал и Електрохемиски потенцијал

Кога цврстите супстанци на два материјали се во контакт, термодинамичка рамнотежа побарува една од цвстите супстанци да има повисок електричен потенцијал од другата. Овој потенцијал се нарекува контактен потенцијал.^[34] Различни метали кои се во контакт произведуваат потенцијална разлика која се нарекува контактна електромоторна сила или галвански потенцијал. Големината на оваа потенцијална разлика е честопати прикажана како разлика во Фермиовите нивоа во двете цврсти супстанци кога се полнежно неутрални, каде Фермиовото ниво (име за хемискиот потенцијал на системот на електрони^[35][36]) ја опишува енергијата потребна за да се отстрани електрон од телото во некоја разумна точка (како Земјата).^[37] Ако постои енергетска поволност во земање на електронот од едно тело кон друго, ќе настане премин. Преминот предизвикува распределба на полнежот, каде едното тело презема електрони, а другото ги губи. Овој премин на полнежи предизвикува потенцијална разлика меѓу телата, што делумно го поништува потенцијалот кој потекнува од контактот, со што се постигнува рамнотежа. При термодинамичка рамнотежа, Фермиовите нивоа се еднакви (енергијата на отстранувањето на електрони е еднаква) и тука сега e набилдан електростатичен потенцијал меѓу телата. Првичната разлика во Фермиовите нивоа, пред контактот, е означен како ЕМС.^[38] Потенцијалот на контактот не може постојано да придвижува струја низ оптоварувањето на неговите полови бидејќи таа струја би вклучила и пренос на полнежот. Не постои никаков механизам кој може да го продолжи таквиот пренос, штом ќе се постигне рамнотежата.

Некој може да се запраша зошто контактниот потенцијал не се појавува во Кирхофовиот закон за напонот поради придонесот на вкупниот број на потенцијалните падови. Одговорот е дека било кое коло вклучува не само диода или спој, туку и целиот потенцијал на контакти, поради жичното поврзување и слично, низ целото коло. Сумата на целиот потенцијал на контактите е нула, па затоа можат да се изостават во Кирхофовиот закон.^[39][40]

Сончева ќелија

Главна статија: Теорија на сончевите ќелии

Приказ на колото кај сончеата ќелија, непожелните отпоти се занемарени во текстот.

Напонот на сончевата ќелија како функција од струјата на ќелијата донесена до оптоварувањето на две светлинско создадени струи I_L; струи како однос од обратното заситување на струјата I₀. Споредено со сл. 1.4 кај Нелсон.^[41]

Начинот на работа на сончевата ќелија може да се согледа од еквивалентното коло на десно. Светлината, или задоволувачка енергија (поголема од енергетската празнина на материјалот), создава поддвижни парови на електронски дупки во полуспроводникот. Раздвојувањето на полнежите се појавува поради постоењето на електрично поле, поврзано со p-n спој во топлинска рамнотежа (контактен потенцијал создаден од полето). Ова раздвојување на полнежот меѓу позитивните шуплини и негативните електрони низ p-n спој ( диода) дава потенцијална разлика, фотонапон, меѓу половите на осветлувачки диоди.^[42] Како што е споменато и порано во терминологијата, фотонапонот е понекогаш наречен светлинска ЕМС, наместо да се прави разлика меѓу ефектот и причината. Раздвојувањето на полнежот предизвикува фотонапон што придвиува струја низ било кое прикачено оптоварување.

Струјата достапна на надворешно коло е ограничена од внатрешениот губиток I₀=I_SH + I _D:

${\displaystyle I=I_{L}-I_{0}=I_{L}-I_{SH}-I_{D}}$

Губитокот ја ограничува струјата достапна за надворешното коло. РАздвојувањето на полнежот кој е светлосно поттикнат најверојатно ќе создаде струја (наречена предна струја) I_SH низ спојот на ќелиите во насока спротивна на светлината кое ја движи струјата. На високите нивоа, оваа наклонетост на спојот би создала напредна струја, I _D во диодата спротивна на онаа индуцирана од светлината. Како резултат, најголемиот дел од струјата е добиена при кратки споеви, и е означена како I_L (за струја индуцирана од светлина) во еквивалентното коло.^[43] Приближно,оваа иста струја се добива со напреден напон до точка каде спорводливоста на диодата станува значителна.

Струјата донесена од осветлената диода до надворешно коло е:

${\displaystyle I=I_{L}-I_{0}\left(e^{qV/(mkT)}-1\right)\ ,}$

каде I₀ е обратна заситеност на струјата. Двата параметри што се условени од сончевата ќелија и до некој степен од самиот напон, се m, идеалниот фактор, и kT/q топлинскиот напон (околу 0.026 V на собна температура).^[43] Оваа релација е исцртана на сликата при што се користи непроменлива вредност m = 2.^[44] Во услови на отворено коло (односно кога I = 0), напонот на кој дејствува од спојот, е доволен за да се урамнотежи на фотострујата. Решението на горенаведениот напон V и означувањето на напонот на отвореното коло во I–V равенката е:

${\displaystyle V_{\text{oc}}=m\ {\frac {kT}{q}}\ \ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right)\ ,}$

што е корисно во изразување на логаритамската равенка на V_oc кај струјата создадена од светлината. Вообичаено, напонот во отвореното коло не изнесува повеќе од 0,5 V.^[45]

Кога има оптоварување, фотонапонот е менлив. Како што е покажано во бројката, за отпор на оптоварување R_L, ќелијата развива напон кој е меѓу вредностите на краткото коло V = 0, I = I_L и вредноста на отвореното коло V_oc, I = 0, вредност добиена според Омовиот закон V = I R_L, каде струјата I е разликата меѓу струјата на краткото коло и онаа добиена од спојот, како што е прикажано во еквивалентното коло (запоставувајќи го паразитскиот отпор).^[41]

Спротивно на батеријата, при струјни нивоа доведени до надворешното коло близу I_L, сончевата ќелија се однесува повеќе како извор на струја отколку извор на напон (близу до вертикалниот дел на двете илустрирани криви).^[41] Прикажаниот цртеш прикажува струја приближно неподвижна од оптоварувањаата на напонот, на еден електрон за еден претворен фотон. Квантната еективност, или можноста да се добие електрон од фотострујата за упаден фотон, зависи не само од самата сончева ќелија, туку и од спектарот на светлината.

Диодата поседува „p–n спој“ поради разликата на потенцијалот на контактот меѓу двете различни материјали на секоја страна од спојот. Овој вграден потенцијал е формиран кога спојот е произведен и кога напонот е нуспроизвод на термодинамичката рамнотежа во ќелијата. Кога еднаш ќе се формира, оваа потенцијална разлика не може да создаде струја, како и да е, кога ќе се прикачи оптоварување не и влијае на оваа рамнотежа. За споредба, насобирањето на премногу електрони во едно место и премногу шуплини во друго, поради осветлувањето, доведува до создавање во фотонапон кој создава струја кога оптоварувањето е споено за осветлената диода. Како што е кажано погоре, овој фотонапон исто така директно го поларизира спојот, и го редуцира претходно постоечкото поле во осиромашениот регион.

Поврзано

• Контраелектромоторна сила
• Електрична батерија
• Електрохемиска ќелија
• Електролитска ќелија
• Галванска ќелија
• Волтин столб

Наводи

1. emf. (1992). American Heritage Dictionary of the English Language 3rd ed. Boston:Houghton Mifflin.
2. Irving Langmuir (1916). „The Relation Between Contact Potentials and Electrochemical Action“. Transactions of the American Electrochemical Society. The Society. 29: 125–182.
3. Tipler, Paul A. (January 1976). Physics. New York, NY: Worth Publishers, Inc. стр. 803. ISBN 0-87901-041-X.
4. David M. Cook (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. стр. 157. ISBN 978-0-486-42567-2.
5. Lawrence M Lerner (1997). Physics for scientists and engineers. Jones & Bartlett Publishers. стр. 724–727. ISBN 0-7637-0460-1.
6. Paul A. Tipler and Gene Mosca (2007). Physics for Scientists and Engineers (6. изд.). Macmillan. стр. 850. ISBN 1-4292-0124-X.
7. Alvin M. Halpern, Erich Erlbach (1998). Schaum's outline of theory and problems of beginning physics II. McGraw-Hill Professional. стр. 138. ISBN 0-07-025707-8.
8. Robert L. Lehrman (1998). Physics the easy way. Barron's Educational Series. стр. 274. ISBN 978-0-7641-0236-3.
9. Kongbam Chandramani Singh (2009). „§3.16 EMF of a source“. Basic Physics. Prentice Hall India Pvt Ltd. стр. 152. ISBN 81-203-3708-5. Архивирано од изворникот на 2009-11-10. Посетено на 2016-03-15.
10. Florian Cajori (1899). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. The Macmillan Company. стр. 218–219.
11. Van Valkenburgh (1995). Basic Electricity. Cengage Learning. стр. 1–46. ISBN 978-0-7906-1041-2.
12. David J Griffiths (1999). Introduction to Electrodynamics (3. изд.). Pearson/Addison-Wesley. стр. 293. ISBN 0-13-805326-X.
13. Само електричното поле поради поделба на полнежот предизвикан од емс се брои. Во сончеви ќелии, на пример, електрично поле е присутно поврзано со потенцијалот на контактот, што произлегува од термодинамичка рамнотежа (за кое е дискутирано подолу), а електричното поле на компонентата не е вклучено во интегралот. Наместо тоа, е вклучено само електричното поле како резултат на конкретен дел на поделбата на полнежот, што предизвикува слика на напон.
14. Richard P. Olenick, Tom M. Apostol and David L. Goodstein (1986). Beyond the mechanical universe: from electricity to modern physics. Cambridge University Press. стр. 245. ISBN 978-0-521-30430-6.
15. David M. Cook (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. стр. 158. ISBN 978-0-486-42567-2.
16. Colin B P Finn (1992). Thermal Physics. CRC Press. стр. 163. ISBN 0-7487-4379-0.
17. M. Fogiel (2002). Basic Electricity. Research & Education Association. стр. 76. ISBN 0-87891-420-X.
18. David Halliday, Robert Resnick, and Jearl Walker (2008). Fundamentals of Physics (6. изд.). Wiley. стр. 638. ISBN 978-0-471-75801-3.CS1-одржување: повеќе имиња: список на автори (link)
19. Roger L Freeman (2005). Fundamentals of Telecommunications (2. изд.). Wiley. стр. 576. ISBN 0-471-71045-8.
20. Terrell Croft (1917). Practical Electricity. McGraw-Hill. стр. 533.
21. Leonard B Loeb (2007). Fundamentals of Electricity and Magnetism (Reprint of Wiley 1947 3rd. изд.). Read Books. стр. 86. ISBN 1-4067-0733-3.
22. Jenny Nelson (2003). The Physics of Solar Cells. Imperial College Press. стр. 6. ISBN 1-86094-349-7.
23. John S. Rigden, (editor in chief), Macmillan encyclopedia of physics. New York : Macmillan, 1996.
24. J. R. W. Warn, A. P. H. Peters (1996). Concise Chemical Thermodynamics (2. изд.). CRC Press. стр. 123. ISBN 0-7487-4445-2.
25. Samuel Glasstone (2007). Thermodynamics for Chemists (Reprint of D. Van Nostrand Co (1964). изд.). Read Books. стр. 301. ISBN 1-4067-7322-0.
26. Nikolaus Risch (2002). „Molecules - bonds and reactions“. Во L Bergmann; и др. (уред.). Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei, and Particles. CRC Press. ISBN 0-8493-1202-7.
27. The brave reader can find an extensive discussion for organic electrochemistry in Christian Amatore (2000). „Basic concepts“. Во Henning Lund, Ole Hammerich (уред.). Organic electrochemistry (4. изд.). CRC Press. ISBN 0-8247-0430-4.
28. Идејата за електронегативност е проширена и го вклучува и концептот на изедначување наелектронегативноста, идејата дека кога молекулите се собрираат заедно, електроните се реорганизира за да се постигне рамнотежа каде што не влијае нето силата врз нив. Види, на пример, Francis A. Carey, Richard J. Sundberg (2007). Advanced organic chemistry (5. изд.). Springer. стр. 11. ISBN 0-387-68346-1.
29. BE Conway (1999). „Energy factors in relation to electrode potential“. Electrochemical supercapacitors. Springer. стр. 37. ISBN 0-306-45736-9.
30. R. J. D. Tilley (2004). Understanding Solids. Wiley. стр. 267. ISBN 0-470-85275-5.
31. Paul Fleury Mottelay (2008). Bibliographical History of Electricity and Magnetism (Reprint of 1892. изд.). Read Books. стр. 247. ISBN 1-4437-2844-6.
32. Helge Kragh (2000). „Confusion and Controversy: Nineteenth-century theories of the voltaic pile“ (PDF). Nuova Voltiana:Studies on Volta and his times. Università degli studi di Pavia.
33. Linnaus Cumming (2008). An Introduction to the Theory of Electricity (Reprint of 1885. изд.). BiblioBazaar. стр. 118. ISBN 0-559-20742-5.
34. George L. Trigg (1995). Landmark experiments in twentieth century physics (Reprint of Crane, Russak & Co 1975. изд.). Courier Dover. стр. 138 ff. ISBN 0-486-28526-X.
35. Angus Rockett (2007). „Diffusion and drift of carriers“. Materials science of semiconductors. New York, NY: Springer Science. стр. 74 ff. ISBN 0-387-25653-9.
36. Charles Kittel (2004). „Chemical potential in external fields“. Elementary Statistical Physics (Reprint of Wiley 1958. изд.). Courier Dover. стр. 67. ISBN 0-486-43514-8.
37. George W. Hanson (2007). Fundamentals of Nanoelectronics. Prentice Hall. стр. 100. ISBN 0-13-195708-2.
38. Norio Sato (1998). „Semiconductor photoelectrodes“. Electrochemistry at metal and semiconductor electrodes (2. изд.). Elsevier. стр. 110 ff. ISBN 0-444-82806-0.
39. Richard S. Quimby (2006). Photonics and lasers. Wiley. стр. 176. ISBN 0-471-71974-9.
40. Donald A. Neamen (2002). Semiconductor physics and devices (3. изд.). McGraw-Hill Professional. стр. 240. ISBN 0-07-232107-5.
41. Jenny Nelson (2003). Solar cells. Imperial College Press. стр. 8. ISBN 1-86094-349-7.
42. S M Dhir (2000). „§3.1 Solar cells“. Electronic Components and Materials: Principles, Manufacture and Maintenance. Tata McGraw-Hill. ISBN 0-07-463082-2.
43. Gerardo L. Araújo (1994). „§2.5.1 Short-circuit current and open-circuit voltage“. Во Eduardo Lorenzo (уред.). Solar Electricity: Engineering of photovoltaic systems. Progenza for Universidad Politechnica Madrid. стр. 74. ISBN 84-86505-55-0.
44. Во практика, нпи ниски напониm → 2, додека при високи напони m → 1. Види Araújo, op. cit. isbn = 84-86505-55-0. page 72
45. Robert B. Northrop (2005). „§6.3.2 Photovoltaic Cells“. Introduction to Instrumentation and Measurements. CRC Press. стр. 176. ISBN 0-8493-7898-2.

Дополнителна литература

• Andrew Gray, "Absolute Measurements in Electricity and Magnetism", Electromotive force. Macmillan and co., 1884.
• John O'M. Bockris, Amulya K. N. Reddy (1973). „Electrodics“. Modern Electrochemistry: An Introduction to an Interdisciplinary Area (2. изд.). Springer. ISBN 0-306-25002-0.
• Roberts, Dana (1983). „How batteries work: A gravitational analog“. Am. J. Phys. 51: 829. Bibcode:1983AmJPh..51..829R. doi:10.1119/1.13128.
• Charles Albert Perkins, "Outlines of Electricity and Magnetism", Measurement of Electromotive Force. Henry Holt and co., 1896.
• John Livingston Rutgers Morgan, "The Elements of Physical Chemistry", Electromotive force. J. Wiley, 1899.
• George F. Barker, "On the measurement of electromotive force". Proceedings of the American Philosophical Society Held at Philadelphia for Promoting Useful Knowledge, American Philosophical Society. January 19, 1883.
• "Abhandlungen zur Thermodynamik, von H. Helmholtz. Hrsg. von Max Planck". (Tr. "Papers to thermodynamics, on H. Helmholtz. Hrsg. by Max Planck".) Leipzig, W. Engelmann, Of Ostwald classical author of the accurate sciences series. New consequence. No. 124, 1902.
• Nabendu S. Choudhury, "Electromotive force measurements on cells involving [beta]-alumina solid electrolyte". NASA technical note, D-7322.
• Henry S. Carhart, "Thermo-electromotive force in electric cells, the thermo-electromotive force between a metal and a solution of one of its salts". New York, D. Van Nostrand company, 1920. LCCN 20020413-{{{3}}}
• Hazel Rossotti, "Chemical applications of potentiometry". London, Princeton, N.J., Van Nostrand, 1969. ISBN 0-442-07048-9 LCCN 69011985-{{{3}}} //r88
• Theodore William Richards and Gustavus Edward Behr, jr., "The electromotive force of iron under varying conditions, and the effect of occluded hydrogen". Carnegie Institution of Washington publication series, 1906. LCCN 07003935-{{{3}}} //r88
• G. W. Burns, et al., "Temperature-electromotive force reference functions and tables for the letter-designated thermocouple types based on the ITS-90". Gaithersburg, MD : U.S. Dept. of Commerce, National Institute of Standards and Technology, Washington, Supt. of Docs., U.S. G.P.O., 1993.
• Norio Sato (1998). „Semiconductor photoelectrodes“. Electrochemistry at metal and semiconductor electrodes (2. изд.). Elsevier. стр. 326 ff. ISBN 0-444-82806-0.

Надворешни врски

• Electromotive Force in Inductors - Interactive Tutorial National High Magnetic Field Laboratory
• Hai, Pham Nam; Ohya, Shinobu; Tanaka, Masaaki; Barnes, Stewart E.; Maekawa, Sadamichi (2009-03-08). „Electromotive force and huge magnetoresistance in magnetic tunnel junctions“. Nature (journal). 458 (7237): 489–92. Bibcode:2009Natur.458..489H. doi:10.1038/nature07879. PMID 19270681. Посетено на 2009-03-10.