Siła elektromotoryczna (SEM)

Siła elektromotoryczna (SEM) jest czynnikiem powodującym przepływ prądu w obwodzie i charakteryzującym źródła energii elektrycznej, jak baterie, prądnice, czy fotoogniwa. Każde z tych urządzeń wykonuje określoną pracę związaną z przemieszczeniem ładunku pomiędzy swoimi biegunami w kierunku przeciwnym do sił pola elektrycznego działających na ładunek, co z kolei generuje odpowiednią różnicę potencjałów na zaciskach źródła (innymi słowy, działanie tych urządzeń polega na przemieszczaniu ładunków kosztem różnych innych rodzajów energii - w  bateriach odbywa się to dzięki energii chemicznej). SEM można zatem rozumieć jako pracę nad ładunkiem wykonaną w obwodzie elektrycznym przez siły zewnętrzne. Matematycznie siłę elektromotoryczną źródła można wyrazić ilorazem pracy wykonanej przez źródło i wartości przenoszonego ładunku.

ε = W/q

gdzie: 

ε - siła elektromotoryczna (niekiedy oznaczana E)

W - praca

q - przenoszony ładunek

Jednostką siły elektromotorycznej jest wolt (dżul/kulomb)

Wartościowo SEM równa jest pracy wykonanej przez zewnętrzne źródło energii, potrzebnej na jednokrotny obieg obwodu przez pojedynczy ładunek elektryczny.

Zatem w przeciwieństwie do sił kulombowskich, siły zewnętrzne pracują nad rozdzieleniem ładunków i wytworzeniem różnicy potencjałów, czyli wygenerowaniem pola elektrycznego. 

Uzyskiwanie energii odbywa się więc w efekcie przemieszczania ładunku przeciwko siłom pola elektrycznego. Konsekwencją istnienia źródła sił zewnętrznych jest zatem przepływ ładunków od wyższego do niższego potencjału.

Doskonałe i rzeczywiste źródła siły elektromotorycznej

Doskonałe źródło SEM cechuje brak oporu wewnętrznego. W takim przypadku napięcie na zaciskach źródła jest równe jego sile elektromotorycznej (U = ε).

Ponieważ W = Pt 

gdzie “P” wyraża moc, a “t” czas,

oraz q = It 

gdzie “I” jest natężeniem prądu,

zatem ε = P/I, 

czyli moc przekazywana nośnikom ładunku dla doskonałego źródła SEM wynosi:

P = εI

Napięcie na zaciskach źródła zazwyczaj różni się od siły elektromotorycznej, co jest konsekwencją m.in. istnienia oporu wewnętrznego źródła. Oznacza to, że całkowita energia źródła przekazywana jest tylko częściowo nośnikom ładunku elektrycznego. Występowanie tych zjawisk można wyrazić matematycznie wzorem:

U = ε - Irw

gdzie:

U – napięcie na zaciskach źródła,

I – natężenie prądu,

rw – opór wewnętrzny źródła.

Siła elektromotoryczna równa jest napięciu na zaciskach ogniwa (źródła) gdy obwód jest otwarty tzn. żaden odbiornik nie jest podłączony i nie płynie prąd. W takim przypadku pomiędzy zaciskami źródła występuje pole elektryczne, którego źródłem są ładunki powstałe w procesach wywołujących SEM, i którego wartość hamuje zachodzące reakcje.

Kierunek przepływu prądu

W przypadku obwodów posiadających tylko jedno źródło SEM, kierunek przepływu prądu określony zostaje strzałką skierowaną od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego źródła siły elektromotorycznej. W przypadku obwodów posiadających kilka źródeł SEM, kierunek przepływu prądu skorelowany jest ze źródłem o największej wartości siły elektromotorycznej.

Rodzaje źródeł siły elektromotorycznej

Do źródeł SEM należą:

• baterie,
• prądnice elektryczne,
• ogniwa słoneczne,
• ogniwa paliwowe,
• termoogniwa,

W każdym źródle SEM istnieje źródło energii powodujące przepływ nośników ładunku przez to źródło. Do źródeł energii wykorzystywanych w procesach wywołujących SEM zaliczamy m.in.:

• procesy chemiczne, 
• siły mechaniczne w prądnicach elektrycznych, 
• promieniowanie elektromagnetyczne w ogniwach słonecznych,
• różnicę temperatur w termoogniwach,
• zjawisko Halla,
• zjawisko piezoelektryczne.