Электродвижущая сила - Electromotive force

Статьи о
Электромагнетизм
Электричество Магнетизм История Учебники
Электростатика Электрический заряд Закон Кулона Дирижер Плотность заряда Разрешающая способность Электрический дипольный момент Электрическое поле Электрический потенциал Электрический поток  / потенциальная энергия Электростатический разряд Закон Гаусса Индукция Изолятор Плотность поляризации Статическое электричество Трибоэлектричество
Магнитостатика Закон Ампера Закон Био-Савара Закон Гаусса для магнетизма Магнитное поле Магнитный поток Магнитный дипольный момент Магнитная проницаемость Магнитный скалярный потенциал Намагничивание Магнитодвижущая сила Магнитный векторный потенциал Правило правой руки
Электродинамика Закон силы Лоренца Электромагнитная индукция Закон Фарадея Закон Ленца Ток смещения Уравнения Максвелла Электромагнитное поле Электромагнитный импульс Электромагнитное излучение Тензор Максвелла Вектор Пойнтинга Потенциал Льенара – Вихерта Уравнения Ефименко Вихревой ток Уравнения Лондона Математические описания электромагнитного поля.
Электрическая сеть Переменный ток Емкость Постоянный ток Электрический ток Электролиз Плотность тока Джоулевое нагревание Электродвижущая сила Импеданс Индуктивность Закон Ома Параллельная схема Сопротивление Резонансные полости Последовательная схема Напряжение Волноводы
Ковариантная формулировка Электромагнитный тензор ( тензор энергии-импульса ) Четырехтоковый Электромагнитный четырехпотенциальный
Ученые Ампер Биот Кулон Дэви Эйнштейн Фарадей Физо Гаусс Хевисайд Генри Герц Джоуль Ленц Лоренц Максвелл Ørsted Ом Ричи Savart Певица Тесла Вольта Вебер Пуассон
v т е

В электромагнетизме и электронике , электродвижущая сила ( эдс , обозначаемые и измеренный в вольтах ) является электрическим действие производится с помощью неэлектрического источника. Устройства (известные как преобразователи ) обеспечивают ЭДС, преобразуя другие формы энергии в электрическую , например батареи (которые преобразуют химическую энергию ) или генераторы (преобразуют механическую энергию ). Иногда для описания электродвижущей силы используется аналогия с давлением воды . (Слово «сила» в данном случае не используется для обозначения сил взаимодействия между телами). ${\ displaystyle {\ mathcal {E}}}$

В электромагнитной индукции ЭДС может быть определена вокруг замкнутого контура проводника как электромагнитная работа , которая будет совершена с электрическим зарядом ( в данном случае электроном ), если он один раз пройдет по контуру. Для изменяющихся во времени магнитного потока , связывающего петлю, то электрический потенциал ' ев скалярное поле не определено в связи с циркулирующим электрического векторного поля , но , тем не менее эдс делает работу , которая может быть измерена в виде виртуального электрического потенциала вокруг петли.

В случае устройства с двумя выводами (такого как электрохимическая ячейка ), которое моделируется 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.

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 колебания магнитного поля происходят через поверхность. Например, смещение магнитного поля Земли во время геомагнитной бури индуцирует токи в электрической сети, поскольку 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 химическую потенциальную энергию в электромагнитную потенциальную энергию. Гальванический элемент можно представить как имеющий "зарядовый насос" атомных размеров на каждом электроде, то есть:

Источник ЭДС можно рассматривать как своего рода зарядовый насос, который перемещает положительные заряды из точки с низким потенциалом через его внутреннюю часть в точку с высоким потенциалом. … Химическим, механическим или другим способом источник ЭДС выполняет работу dW над этим зарядом, перемещая его на клемму с высоким потенциалом. ЭДС ℰ источника определяется как работа dW, совершаемая за один заряд dq . .${\ textstyle {\ mathcal {E}} = {\ frac {{\ mathit {d}} W} {{\ mathit {d}} q}}}$

В электрическом генераторе изменяющееся во времени магнитное поле внутри генератора создает электрическое поле за счет электромагнитной индукции , которая создает разность напряжений между выводами генератора. Разделение зарядов происходит внутри генератора, потому что электроны текут от одного вывода к другому, пока в случае разомкнутой цепи не возникает электрическое поле, которое делает невозможным дальнейшее разделение зарядов. ЭДС противодействует электрическому напряжению 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 каждой из двух поверхностей раздела электрод-электролит обеспечивают «место действия ЭДС» для гальванического элемента. То есть эти реакции управляют током, а не бесконечным источником энергии, как первоначально предполагалось. В случае разомкнутой цепи разделение зарядов продолжается до тех пор, пока электрическое поле разделенных зарядов не станет достаточным для остановки реакции. Несколькими годами ранее Алессандро Вольта , который измерял контактную разность потенциалов на границе раздела металл-металл (электрод-электрод) своих ячеек, ошибочно полагал, что только контакт (без учета химической реакции) является источником ЭДС. .

Обозначения и единицы измерения

Электродвижущая сила часто обозначается или E эл ( U + 2130 ℰ SCRIPT КАПИТАЛ Е ). ${\ displaystyle {\ mathcal {E}}}$

В устройстве без внутреннего сопротивления, если электрический заряд Q проходит через это устройство, а также приобретает энергию W , чистая эдс для этого устройства является энергия получила на единицу заряда , или W / Q . Как и другие меры энергии на заряд, ЭДС использует SI единицы вольт , что эквивалентно джоуль на кулоны .

Электродвижущая сила в электростатических единицах - это статвольт (в системе единиц сантиметр-грамм-секунда, равная эрг на единицу электростатического заряда ).

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, как интеграл электрического поля, выровненного по внутреннему пути между двумя выводами A и B источника ЭДС в состоянии разомкнутой цепи (путь проходит от отрицательного вывода до положительный вывод для получения положительной ЭДС, указывающей на работу, проделанную с электронами, движущимися в цепи). Математически:

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

где Е _CS является консервативным электростатическим полем , создаваемое разделением зарядов , связанным с эдс, д ℓ является элементом пути от терминала А к терминалу B , и «⋅» обозначает вектор скалярного произведения . Это не связано с какой-либо неконсервативной составляющей электрического поля, например, из-за электромагнитной индукции .

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 « индуцированная ЭДС », является напряжение, индуцированное в такой петле. « Индуцированная ЭДС » вокруг неподвижного замкнутого пути C равна:

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

где E - полное электрическое поле, консервативное и неконсервативное, а интеграл вычисляется вокруг 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 является консервативной (т. Е. Работа, выполняемая против поля вокруг замкнутого контура, равна нулю, см . Закон напряжения Кирхгофа , который действителен до тех пор, пока поскольку элементы схемы остаются в покое и излучение не учитывается).

Это определение можно распространить на произвольные источники ЭДС и пути движения C :

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ mathcal {E}} & = \ oint _ {C} \ left [{\ boldsymbol {E}} + {\ boldsymbol {v}} \ times {\ boldsymbol {B} } \ right] \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \\ & \ qquad + {\ frac {1} {q}} \ oint _ {C} \ mathrm {Эффективные \ химические \ силы \ \ cdot} \ \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \\ & \ qquad \ qquad + {\ frac {1} {q}} \ oint _ {C} \ mathrm {Эффективные \ тепловые \ силы \ \ cdot} \ \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \, \ end {align}}}$

которое является концептуальным уравнением главным образом потому, что определение «эффективных сил» затруднено.

В (электрохимической) термодинамике

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

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

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, когда заряд проходит изотермически и изобарически . Последнее тесно связано с энтропией электрохимической реакции, которая дает батарее ее мощность. Это соотношение Максвелла:

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

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

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

где n ₀ - количество электронов / ион, F ₀ - постоянная Фарадея, а знак минус указывает на разрядку ячейки. При постоянном давлении и объеме термодинамические свойства ячейки строго связаны с поведением ее ЭДС:

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

где Δ H - энтальпия реакции . Все величины справа можно измерить напрямую. Предполагая постоянные температуру и давление:

${\ displaystyle \ Delta G = -n_ {0} F_ {0} {\ mathcal {E}}}$

которое используется при выводе уравнения Нернста .

Разность напряжений

Разницу электрического напряжения иногда называют ЭДС. Пункты ниже иллюстрируют более формальное использование с точки зрения различия между ЭДС и генерируемым напряжением:

1. Для цепи в целом, например, содержащей резистор, включенный последовательно с гальваническим элементом, электрическое напряжение не влияет на общую ЭДС, потому что разность 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 аккумулятора, который вызывает разделение зарядов, 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. Трансформатора соединения двух цепей можно считать источником ЭДС для одной из цепей, так же , как если бы она была вызвана электрическим генератором; этот пример иллюстрирует происхождение термина «трансформаторная ЭДС».
4. Фотодиод или фотоэлемент может рассматриваться в качестве источника эдс, подобно батарее, в результате электрического напряжения , генерируемого в результате разделения зарядов управляется света , а не химической реакции.
5. Другими устройствами, производящими 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 становится достаточно сильным, чтобы остановить реакции. Противоположное поле большего размера может обратить вспять реакции в так называемых обратимых клетках.

Разделенный электрический заряд создает разность электрических потенциалов, которую можно измерить с помощью вольтметра между выводами 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: ℰ  =  V  +  Ir .

Разность напряжений - это не то же самое, что разность потенциалов. Разность потенциалов между двумя точками A и B не зависит от пути, по которому мы идем от A к B. Поэтому при измерении разности потенциалов между точками A и B положение вольтметра не имеет значения. Однако вполне возможно, что разность напряжений, индуцированная между точками A и B, будет зависеть от положения вольтметра, поскольку разность напряжений не является консервативной функцией положения. Например, рассмотрим бесконечно длинный соленоид, использующий переменный ток для создания переменного магнитного потока внутри соленоида. Снаружи соленоида у нас есть два резистора, соединенных кольцом вокруг соленоида. Резистор слева - 100 Ом, а резистор справа - 200 Ом, они подключены вверху и внизу в точках A и B. Индуцированное напряжение по закону Фарадея равно V, поэтому ток I = V / ( 100 + 200). Следовательно, напряжение на резисторе 100 Ом равно 100 I, а напряжение на резисторе 200 Ом равно 200 I, но два резистора подключены с обоих концов, но Vab, измеренное вольтметром слева от соленоида, не такое же, как Vab, измеренное. с вольтметром справа от соленоида.

Поколение

Химические источники

Вопрос о том, как батареи ( гальванические элементы ) генерируют ЭДС, занимал ученых большую часть 19 века. В 1889 году Вальтер Нернст определил, что «место действия электродвижущей силы» находится в основном на границах раздела между электродами и электролитом .

Атомы в молекулах или твердых телах удерживаются вместе за счет химической связи , которая стабилизирует молекулу или твердое тело (т. Е. Снижает ее 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 усилением 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.

Например, элемент Даниэля состоит из цинкового анода (коллектора электронов), который окисляется при растворении в растворе сульфата цинка. Растворяющийся цинк, оставляющий свои электроны в электроде в соответствии с реакцией окисления ( s = твердый электрод; aq = водный раствор):

${\ Displaystyle \ mathrm {Zn _ {(s)} \ rightarrow Zn _ {(aq)} ^ {2 +} + 2e ^ {-} \}}$

Сульфат цинка является электролитом в этой половине ячейки. Это раствор, который содержит катионы цинка и сульфат-анионы с нулевым зарядом. ${\ displaystyle \ mathrm {Zn} ^ {2+}}$${\ Displaystyle \ mathrm {SO} _ {4} ^ {2-}}$

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:

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

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 отнесена главным образом на счет На 207 кДж слабее связывание (меньшая величина энергии когезии) цинка, который имеет заполненные 3d- и 4s-орбитали, по сравнению с медью, имеющей незаполненную орбиталь, доступную для связывания.

Если катод и анод соединены внешним проводником, электроны проходят через эту внешнюю цепь (лампочка на рисунке), а ионы проходят через солевой мостик для поддержания баланса заряда до тех пор, пока анод и катод не достигнут электрического равновесия в ноль вольт как химическое равновесие. достигается 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 генерирования 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 удалена (разомкнутая цепь), ЭДС между электродами противодействует электрическому полю из-за разделения зарядов, и реакции прекращаются.

Для этого конкретного химического состава ячейки при 298 К (комнатная температура) ЭДС ℰ = 1,0934 В с температурным коэффициентом d ℰ / d T  = -4,53 × 10 ^-4 В / К.

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 из перечисленных становится положительным при контакте с любым успешным, но отрицательным при контакте с любым предшествующим». Типичное условное обозначение в схеме этой цепи (- | | -) 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, приведенные ниже, являются номинальными, потому что ЭДС зависит от величины нагрузки и степени истощения элемента.

ЭДС	Клеточная химия			Распространенное имя
	Анод	Растворитель, электролит	Катод
1,2 В	Кадмий	Вода, гидроксид калия	NiO (ОН)	никель-кадмиевый
1,2 В	Мишметалл (поглощающий водород)	Вода, гидроксид калия	Никель	никель-металлогидрид
1,5 В	Цинк	Вода, хлорид аммония или цинка	Углерод, диоксид марганца	Цинк уголь
2,1 В	Вести	Вода, серная кислота	Диоксид свинца	Свинцово-кислотные
От 3,6 до 3,7 В	Графитовый	Органический растворитель, соли Li	LiCoO 2	Литий-ионный
1,35 В	Цинк	Вода, гидроксид натрия или калия	HgO	Ячейка ртути

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 одной 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 потоковых связей . 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 разность уровней Ферми в двух твердых телах, когда они находятся в зарядовой нейтральности, где уровень Ферми (название химического потенциала электронной системы) описывает энергию, необходимую для удаления электрона. от корпуса до некоторой общей точки (например, земли). Если есть энергетическое преимущество в переносе электрона от одного тела к другому, такая передача произойдет. Перенос вызывает разделение зарядов: одно тело получает электроны, а другое теряет электроны. Этот перенос заряда вызывает разность потенциалов между телами, которая частично нейтрализует потенциал, возникающий от контакта, и в конечном итоге достигается равновесие. В термодинамическом равновесии уровни Ферми равны (энергия удаления электронов одинакова), и теперь между телами существует встроенный электростатический потенциал. Первоначальная разница в уровнях 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 т. Д. По всей цепи. Сумма всех контактных потенциалов равна нулю, поэтому в законе Кирхгофа ими можно пренебречь.

Солнечная батарея

Работу солнечного элемента можно понять из эквивалентной схемы справа. Свет с достаточной энергией (превышающей ширину запрещенной зоны материала) создает в полупроводнике подвижные электронно-дырочные пары . Разделение зарядов происходит из-за существовавшего ранее электрического поля, связанного с pn переходом в тепловом равновесии. (Это электрическое поле создается за счет встроенного потенциала , который возникает из контактного потенциала между двумя различными материалами в переходе.) Разделение зарядов между положительными дырками и отрицательными электронами на pn переходе ( диоде ) дает прямое напряжение , фото-напряжение между подсвечиваемыми выводами диода, которое пропускает ток через любую подключенную нагрузку. Фото- напряжение иногда называют фото- ЭДС , различая следствие и причину.

Ток, доступный для внешней цепи, ограничен внутренними потерями I ₀ = 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 переход ячейки в направлении, противоположном тому, что свет управляет током. Вдобавок 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, составляет:

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

где I ₀ - обратный ток насыщения. Там , где эти два параметра , которые зависят от конструкции солнечных элементов и до некоторой степени от самого напряжения являются м , коэффициент идеальности и кТ / д тепловое напряжение (около 0,026 V 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:

${\ displaystyle V _ {\ text {oc}} = m \ {\ frac {kT} {q}} \ \ ln \ left ({\ frac {I _ {\ text {L}}} {I_ {0}}} +1 \ вправо) \,}$

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

При движении нагрузки фото напряжение меняется. Как показано на рисунке, для сопротивления нагрузки R _L элемент развивает напряжение, которое находится между значением короткого замыкания V  = 0, I  = I _L и значением разомкнутой цепи V _oc , I  = 0, заданным значением. по закону Ома V  = IR _L , где ток I - это разница между током короткого замыкания и током из-за прямого смещения перехода, как показано эквивалентной схемой (без учета паразитных сопротивлений ).

В отличие от батареи, при уровнях тока, подаваемых во внешнюю цепь около I _L , солнечный элемент действует скорее как генератор тока , чем как генератор напряжения (около вертикальной части двух проиллюстрированных кривых) .Потребляемый ток почти фиксирован в течение диапазон напряжений нагрузки, до одного электрона на преобразованный фотон . Квантовый выход , или вероятность получения электрона фототока на падающий фотон, зависит не только от самого солнечного элемента, а на спектре света.

Смотрите также

• Противоэлектродвижущая сила
• Электрическая батарея
• Электрохимическая ячейка
• Электролитическая ячейка
• Гальванический элемент
• Гальваническая свая

использованная литература

дальнейшее чтение

• 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 . Макмиллан и Ко., 1884 г.
• Чарльз Альберт Перкинс, «Контуры электричества и магнетизма», Измерение электродвижущей силы . Генри Холт и компания, 1896 год.
• Джон Ливингстон Рутгерс Морган, «Элементы физической химии», Электродвижущая сила . Дж. Вили, 1899.
• "Abhandlungen zur Thermodynamik, фон Х. Гельмгольц. Hrsg. Фон Макса Планка". (Тр. «Статьи по термодинамике, о Х. Гельмгольце. Hrsg. Макса Планка».) Лейпциг, В. Энгельманн, Оствальд, классический автор серии точных наук. Новое следствие. № 124, 1902 г.
• Теодор Уильям Ричардс и Густав Эдвард Бер младший, «Электродвижущая сила железа в различных условиях и эффект окклюдированного водорода». Серия публикаций Вашингтонского института Карнеги, 1906. LCCN  07-3935
• Генри С. Кархарт, «Термо-электродвижущая сила в электрических ячейках, 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, содержащих твердый электролит из бета-оксида алюминия" . Техническая записка НАСА, D-7322.
• Джон О'М. Бокрис; Амуля К.Н. Редди (1973). «Электродика» . Современная электрохимия: введение в междисциплинарную область (2-е изд.). Springer. ISBN 978-0-306-25002-6.
• Робертс, Дана (1983). «Как работают батареи: гравитационный аналог». Являюсь. J. Phys . 51 (9): 829. Bibcode : 1983AmJPh..51..829R . DOI : 10.1119 / 1.13128 .
• GW Burns, et al., «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. документов, УСГПО, 1993.
• Норио Сато (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, Синобу; Танака, Масааки; Барнс, Стюарт Э .; Маэкава, Садамити (2008-03-08). «Электродвижущая сила и огромное магнитосопротивление в магнитных туннельных переходах». Природа . 458 (7237): 489–92. Bibcode : 2009Natur.458..489H . DOI : 10,1038 / природа07879 . PMID  19270681 . S2CID  4320209 .