L 9iเวกเตอร แรงด นไฟฟ าเหน ยวนำขณะไม ม โหลด

คำว่า "แรง" ในกรณีนี้ไม่ได้ใช้เพื่อหมายถึงแรงในเชิงกลที่มีหน่วยเป็นนิวตัน แต่เป็นศักย์หรือพลังงานต่อหน่วยประจุ มีหน่วยเป็นโวลต์

ในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า EMF สามารถถูกกำหนดรอบ ๆ วงรอบปิดวงหนึ่งว่าเป็นงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำบนประจุตัวหนึ่งถ้ามันเดินทางรอบวงนั้นหนึ่งรอบ (ในขณะที่ประจุเดินทางรอบวงลูป มันก็สามารถสูญเสียพลังงานไปพร้อมกันพลังงานที่ได้รับมาผ่านความต้านทานกลายเป็นพลังงานความร้อน) สำหรับสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาที่มีการเชื่อมโยงอยู่กับลูป สนามศักย์ไฟฟ้​​าที่มีหน่วยเป็นสเกลาร์จะยังไม่ถูกกำหนดเนื่องจากสนามไฟฟ้าแบบเวกเตอร์ยังคงไหลเวียน แต่อย่างไรก็ตาม EMF ก็ทำงานแล้วและสามารถวัดได้เป็นศักย์ไฟฟ้าเสมือนรอบลูปนั้น

ในกรณีของอุปกรณ์สองขั้ว (เช่นแบตเตอรีไฟฟ้าเคมีหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งถูกจำลองเป็นวงจรสมมูลของ Thévenin EMF ที่เทียบเท่าสามารถวัดได้เป็นความต่างศักย์แบบวงจรเปิดหรือแรงดันระหว่างขั้วทั้งสอง ความต่างศักย์นี้สามารถขับกระแสให้ไหลได้ถ้าขั้วไฟฟ้าทั้งสองถูกต่อเข้ากับวงจรภายนอก

อุปกรณ์ที่ให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะรวมถึงเซลล์ไฟฟ้าเคมี, อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กตริก, เซลล์แสงอาทิตย์, โฟโตไดโอด, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, หม้อแปลง, และแม้แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอแกรฟฟ์ ในธรรมชาติ EMF ถูกสร้างขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ความผันผวนของสนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้นผ่านพื้นผิว การเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กโลกในระหว่างพายุแม่เหล็กทำให้เกิดกระแสในกริดไฟฟ้​​าเมื่อเส้นสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ และตัดผ่านตัวนำ

ในกรณีที่เป็นแบตเตอรี่ การแยกตัวของประจุที่ก่อให้เกิดความต่างแรงดันระหว่างขั้วทั้งสองสามารถทำสำเร็จได้โดยปฏิกิริยาเคมีที่ขั้วไฟฟ้าที่จะแปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานศักย์แม่เหล็กไฟฟ้า เซลล์ไฟฟ้าอาจคิดว่าเป็นการมี "ปั๊มประจุ" ที่มีขนาดเท่าอะตอมที่แต่ละขั้วไฟฟ้า นั่นคือ

แหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าอาจจะคิดได้ว่าเป็นชนิดหนึ่งของปั้มประจุที่ทำหน้าที่ในการเคลื่อนย้ายประจุบวกจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำผ่านตัวมันเองไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า ... โดยวิธีการทางเคมี, ทางกลไกหรือทางอื่น ๆ แหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะทำงาน dW บนประจุนั้นเพื่อที่จะเคลื่อนย้ายประจุไปยังขั้วที่มีศักยภาพสูง แรงเคลื่อนไฟฟ้า ℰ ของแหล่งที่มาจะถูกกำหนดให้เป็นงาน dW ที่ทำบนประจุ dq ดังนั้น ℰ = dW/dq

ราวปี 1830 ไมเคิล ฟาราเดย์ระบุว่าปฏิกิริยาในแต่ละรอยต่อสองรอยต่อระหว่างขั้วไฟฟ้ากับสารอิเล็กโทรไลต์จะให้ "EMF" สำหรับเซลล์ไฟฟ้า นั่นคือ ปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นตัวขับเคลิ่อนกระแสและไม่ได้เป็นแหล่งที่มาของพลังงานที่ไม่มีที่สิ้นสุดอย่างที่ติดไว้แต่แรก ในกรณีของวงจรเปิด การแยกตัวของประจุจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งสนามไฟฟ้าจากประจุที่ถูกแยกตัวมีปริมาณเพียงพอที่จะหยุดปฏิกิริยา หลายปีก่อนหน้านี้ อาเลสซานโดร โวลตา ผู้ที่วัดความต่างศักย์ของจุดสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะ (ขั้วไฟฟ้ากับอิเล็กโทรด) ของเซลล์ของเขา เขาได้ให้ความคิดเห็นที่ไม่ถูกต้องที่ว่าจุดสัมผัสเพียงอย่างเดียว (โดยไม่คำนึงถึงปฏิกิริยาทางเคมี) เป็นต้นกำเนิดของ EMF

ในกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้าผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีผลในการสร้างความต่างแรงดันระหว่างขั้วทั้งสองของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การแยกตัวของประจุจะเกิดขึ้นภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนจะไหลออกไปจากขั้วไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกขั้วไฟฟ้าหนึ่ง จนกระทั่ง ในกรณีวงจรเปิด สนามไฟฟ้าที่พอเพียงจะสะสมขึ้นจนทำให้การแยกตัวของประจุดำเนินต่อไปไม่ได้ อีกครั้ง EMF จะเผชิญหน้ากับแรงดันไฟฟ้าอันเกิดจากการแยกประจุ ถ้ามีโหลดต่อเข้าไป แรงดันไฟฟ้านี้สามารถขับเคลื่อนกระแสได้ หลักการทั่วไปในการควบคุม EMF ในเครื่องจักรไฟฟ้าดังกล่าวเป็นกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

สัญลักษณ์และหน่วยการวัด[แก้]

แรงเคลื่อนไฟฟ้ามักจะมีสัญญลักษณ์เป็น หรือ ℰ

ในอุปกรณ์ที่ไม่มีความต้านทานภายใน ถ้าประจุไฟฟ้า Q ไหลผ่านอุปกรณ์นั้นและได้รับพลังงาน W ค่า emf สุทธิสำหรับอุปกรณ์นั้นจะเป็นพลังงานที่ได้รับต่อหน่วยประจุหรือ W/Q. เช่นเดียวกับการวัดอื่น ๆ ของพลังงานต่อประจุ emf มีหน่วย SI เป็นโวลต์ที่เทียบเท่ากับจูลต่อคูลอมบ์

แรงเคลื่อนไฟฟ้าในหน่วยไฟฟ้าสถิตจะเป็น statvolt (ในเซนติเมตรกรัมระบบที่สองของหน่วยที่เท่ากับจำนวนเอิร์กต่อหน่วยประจุไฟฟ้าสถิต)

คำจำกัดความอย่างเป็นทางการของแรงเคลื่อนไฟฟ้​​า[แก้]

ภายในแหล่งจ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบวงจรเปิด สนามไฟฟ้าสถิตแบบอนุรักษ์นิยมที่สร้างขึ้นโดยการแยกของประจุจะหักล้างแรงทั้งหลายที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้ามีค่าเท่ากัน แต่มีเครื่องหมายตรงข้ามเมื่อผลรวม (อังกฤษ: integral) ของสนามไฟฟ้าอยู่ในแนวเดียวกันกับเส้นทางภายในระหว่างสองขั้ว A และ B ของแหล่งจ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้าในสภาพวงจรเปิด (เส้นทางจะนำจากขั้วลบไปยังขั้วบวกเพื่อที่จะให้ EMF ออกมาเป็นบวก ซึ่งจะแสดงให้เห็นงานที่กระทำบนอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ในวงจร) สูตรทางคณิตศาสตร์จะเป็นดังนี้:

เมื่อ Ecs เป็นสนามไฟฟ้าสถิตแบบอนุรักษ์นิยมที่ถูกสร้างขึ้นโดยการแยกประจุที่เกี่ยวข้องกับแรงเคลื่อนไฟฟ้า, dℓ เป็นองค์ประกอบของเส้นทางจากขั้ว A ไปยังขั้ว B, และ ‘·’ หมายถึงผลคูณจุด (อังกฤษ: dot product) (ค่าจริง (ค่าสเกลล่าร์) ที่เป็นผลคูณของค่าเวกเตอร์สองตัว) สมการนี้​​้ใช้เฉพาะกับตำแหน่ง A และตำแหน่ง B เท่านั้นที่เป็นขั้วไฟฟ้า และไม่ได้นำไปใช้กับเส้นทางระหว่างจุด A และจุด B ที่มีบางส่วนด้านนอกของแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้า สมการนี้​​้เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้าที่เป็นไฟฟ้าสถิตที่เกิดเนื่องจากการแยกประจุ Ecs และไม่เกี่ยวข้องกับ (ตัวอย่างเช่น) ส่วนประกอบใด ๆ ของสนามไฟฟ้าที่ไม่ใช่แบบอนุรักษ์นิยมอันเกิดเนื่องจากกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

ในกรณีที่เส้นทางถูกปิดเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลา อินทีกรัลของสนามไฟฟ้ารอบวงลูปปิดอาจไม่เป็นศูนย์; การใช้งานทั่วไปชนิดที่ใช้แนวคิดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เรียกว่า "แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ" คือแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในวงลูปดังกล่าว "แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ" รอบเส้นทางปิดอยู่กับที่ C จะเป็น:

เมื่อ E ในตอนนี้เป็นสนามไฟฟ้าโดยรวมทั้งหมดทั้งแบบอนุรักษ์และไม่อนุรักษ์ และอินทีกรัลจะอยู่รอบ ๆ โค้งปิด C ที่ไม่มีกฎเกณฑ์และอยู่กับที่โดยมีสนามแม่เหล็กที่แปรเปลี่ยนไหลผ่านโค้งปิด C นั้น สนามไฟฟ้าสถิตไม่ได้ช่วยอุดหนุนกับ EMF สุทธิที่ปรากฏรอบวงจรนั้นเพราะส่วนของไฟฟ้าสถิตของสนามไฟฟ้าเป็นแบบอนุรักษ์ (นั่นคืองานที่กระทำต้านกับสนามที่อยู่รอบ ๆ เส้นทางปิดมีค่าเป็นศูนย์)

นิยามนี้สามารถขยายไปยังแหล่งที่มาแบบไร้กฎเกณฑ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าและเส้นทางการเคลื่อนที่ C:

ซึ่งเป็นสมการแบบแนวคิดเป็นส่วนใหญ่ เพราะการกำหนด "แรงที่มีประสิทธิภาพ" มีความยากลำบาก

แรงเคลื่อนไฟฟ้าในอุณหพลศาสตร์[แก้]

เมื่อคูณด้วยปริมาณของประจุ dQ แรงเคลื่อนไฟฟ้า ℰ จะให้ผลตอบแทนเป็นงานด้านอุณหพลศาสตร์ชิ้นหนึ่งมีค่าเป็น ℰdQ ที่ถูกงานแบบเป็นทางการสำหรับการเปลี่ยนแปลงพลังงานกิ๊บส์เมื่อประจุไหลผ่านในแบตเตอรี่:

เมื่อ G เป็นพลังงานอิสระของกิ๊บส์, S เป็นเอนโทรปี, V เป็นปริมาตรของระบบ, P เป็นความดันของมันและ T เป็นอุณหภูมิสัมบูรณ์ของมัน

การรวมกันของ ℰ และ Q เป็นตัวอย่างหนึ่งของการจับตัวกันเป็นคู่ของตัวแปร (อังกฤษ: conjugate pair of variables) แบบหนึ่ง ที่ความดันคงที่ความสัมพันธ์ข้างต้นจะสร้างความสัมพันธ์แมกซ์เวลที่เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงในแรงดันไฟฟ้าเซลล์เปิดที่มีอุณหภูมิ T (ปริมาณที่วัดได้) ให้เป็นการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปี S เมื่อประจุผ่านจุด isothermal และ isobaric จุดไอโซแบริกจะเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปฏิกิริยาเอนโทรปีของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่สร้างพลังงานให้กับแบตเตอรี่ ความสัมพันธ์แมกซ์เวลนี้คือ:

ถ้าหนึ่งโมลของไอออนกลายเป็นสารละลาย (เช่นในเซลล์ Daniell ตามที่กล่าวไว้ด้านล่าง) ประจุที่ไหลผ่านวงจรภายนอกจะเป็น

เมื่อ n0 เป็นจำนวนของอิเล็กตรอน/ไอออน และ F0 เป็นค่าคงที่ฟาราเดย์และเครื่องหมายลบแสดงการปล่อยประจุของเซลล์ เมื่อกำหนดให้ความดันและปริมาณมีค่าคงที่ คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของเซลล์เกี่ยวข้องอย่างเคร่งครัดกับพฤฒิกรรมของ EMF ของมันโดย:

เมื่อ ΔH เป็นเอนทัลปีของปฏิกิริยา ปริมาณทางด้านขวาทั้งหมดสามารถวัดได้โดยตรง

แรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต่างแรงดัน[แก้]

ความต่างแรงดันไฟฟ้าบางครั้งถูกเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า หลายจุดด้านล่างจะแสดงให้เห็นถึงการนำไปใช้อย่างเป็นทางการมากขึ้น ในแง่ของความแตกต่างกันระหว่าง EMF และแรงดันไฟฟ้า มันสร้าง:

1. สำหรับวงจรสมบูรณ์ เช่นในวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานต่อแบบอนุกรมกับเซลล์ไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมจะไม่เสริมกับ EMF ทำให้ความต่างแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นรอบ ๆ วงจรมีค่าเป็นศูนย์ (ในแรงดันไฟฟ้า IR ตามกฎของโอห์ม จะตกคร่อมบวกกับแรงดันไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปมีค่าผลรวมเป็นศูนย์ ดูกฎวงจรของ Kirchhoff) แรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดจากสารเคมีในแบตเตอรี่แต่เพียงอย่างเดียว สารเคมีเป็นสาเหตุของการแยกประจุ ซึ่งเป็นผลให้มีการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนกระแส
2. สำหรับวงจรที่ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนกระแสผ่านตัวต้านทาน EMF จะเกิดจากสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่เพียงอย่างเดียว (IR ตามกฎของโอห์มจะตกคร่อมบวกกับแรงดันไฟฟ้าที่เกิดมีผลรวมเป็นศูนย์อีกครั้ง ดูกฎวงจรของ Kirchhoff))
3. หม้อแปลงที่เชื่อมสองวงจรเข้าด้วยกันอาจจะถือได้ว่าหม้อแปลงนั้นเป็นแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าสำหรับหนึ่งในสองวงจรนั้น เหมือนกับว่ามันทำตัวเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวหนึ่ง ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงต้นกำเนิดของคำว่า "แรงดันไฟฟ้าหม้อแปลง"
4. โฟโตไดโอดหรือเซลล์แสงอาทิตย์ตัวหนึ่งอาจจะถือได้ว่าเป็นแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าตัวหนึ่งที่คล้ายกับแบตเตอรี่ การแยกประจุจะเกิดจากแสงแทนที่จะเป็นปฏิกิริยาทางเคมี เป็นผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้า
5. อุปกรณ์อื่น ๆ ที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าก็คือเซลล์เชื้อเพลิง, คู่ควบความร้อนและthermopile

ในกรณีของวงจรเปิด ประจุไฟฟ้าที่ได้ถูกแยกออกจากกันโดยกลไกการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้าที่ขัดขวางกลไกการแยก ยกตัวอย่างเช่นปฏิกิริยาทางเคมีในเซลล์ไฟฟ้าจะหยุดเมื่อสนามไฟฟ้าที่ขัดขวางสนามไฟฟ้าที่แต่ละขั้วไฟฟ้ามีความแข็งแรงมากพอที่จะหยุดปฏิกิริยา สนามขัดขวางที่มีขนาดใหญ่กว่าสามารถย้อนกลับปฏิกิริยาในสิ่งที่เรียกว่าเซลล์พลิกกลับ(อังกฤษ: reversible cell)

ประจุไฟฟ้าที่ได้ถูกแยกออกจะสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สามารถวัดได้ด้วยโวลต์มิเตอร์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองของอุปกรณ์ ขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ (หรือแหล่งที่มาอื่น) เป็นค่าของแรงดันไฟฟ้า'วงจรเปิด'นี้ เมื่อแบตเตอรี่กำลังชาร์จหรือกำลังดีสชาร์จ ตัว EMF เองไม่สามารถถูกวัดได้โดยตรงโดยใช้แรงดันภายนอกเพราะแรงดันไฟฟ้าบางส่วนจะหายไปภายในแหล่งที่มา อย่างไรก็ตามมันสามารถจะอนุมานจากการวัดกระแส I และความต่างแรงดันไฟฟ้า V ในเงื่อนไขที่ความต้านทานภายใน r ได้มีการวัดเรียบร้อยแล้ว ดังนี้น

ℰ = V + Ir.

การผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า[แก้]

แหล่งที่มาจากสารเคมี[แก้]

เส้นทางปฏิกิริยาโดยทั่วไปต้องใช้สารปฏิกิริยาในช่วงเริ่มต้นเพื่อที่จะข้ามอุปสรรคพลังงาน เข้าสู่สถานะช่วงกลางและในที่สุดก็เกิดขึ้นในรูปแบบของพลังงานที่ต่ำกว่า ถ้าการแยกประจุเข้ามาเกี่ยวข้อง เป็นภาระที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างของพลังงานนี้สามารถทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ดู Bergmann et al. และการเปลี่ยนสถานะ cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)