Электродвижущая сила - Electromotive force

Не путать с Электромагнитное поле.

В электромагнетизм и электроника, электродвижущая сила (ЭДС, обозначенный ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ и измеряется в вольт ),^[1] это электрическое воздействие, производимое неэлектрическим источником.^[2] Устройства (известные как преобразователи ) обеспечить ЭДС^[3] путем преобразования других форм энергии в электроэнергия,^[3] такие как батареи (которые конвертируют химическая энергия ) или генераторы (которые конвертируют механическая энергия ).^[2] Иногда аналогия к воде давление используется для описания электродвижущей силы.^[4] (Слово «сила» в данном случае не означает силы взаимодействия тел).

В электромагнитная индукция, ЭДС может быть определена вокруг замкнутого контура дирижер как электромагнитный Работа это будет сделано на электрический заряд (ан электрон в этом случае), если он проходит один раз по петле.^[5] Для меняющегося во времени магнитный поток связывая петлю, электрический потенциал's скалярное поле не определяется из-за циркулирующего электрического векторное поле, но ЭДС, тем не менее, работает, которую можно измерить как виртуальный электрический потенциал вокруг контура.^[6]

В случае двухконтактного устройства (например, электрохимическая ячейка ), который моделируется как Эквивалентная схема Тевенина эквивалентная ЭДС может быть измерена как разность потенциалов холостого хода, или Напряжение, между двумя терминалами. Эта разность потенциалов может вызвать электрический ток если внешний цепь присоединяется к клеммам, и в этом случае устройство становится источник напряжения этой цепи.

Обзор

Устройства, которые могут обеспечивать ЭДС, включают электрохимические ячейки, термоэлектрические устройства, солнечные батареи, фотодиоды, электрические генераторы, трансформаторы и даже Генераторы Ван де Граафа.^[6][7] В природе ЭДС возникает, когда флуктуации магнитного поля проходят через поверхность. Например, смещение Магнитное поле Земли во время геомагнитная буря 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.^[8][9] 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 с низким потенциалом через его внутреннюю часть в точку с высоким потенциалом. … Химическим, механическим или другим способом источник ЭДС выполняет работу dW на этом заряде, чтобы переместить его на клемму с высоким потенциалом. ЭДС ℰ источника определяется как произведение dW сделано за заряд dq. ℰ = ${\textstyle {\frac {{\mathit {d}}W}{{\mathit {d}}q}}}$.^[10]

В электрическом генераторе изменяющееся во времени магнитное поле внутри генератора создает электрическое поле через электромагнитная индукция, что 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 возникает электрическое поле, которое делает 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, таков: Закон индукции Фарадея.

История

Около 1830 г. Майкл Фарадей установили, что химические реакции на каждой из двух поверхностей раздела электрод-электролит обеспечивают «место действия ЭДС» для гальванического элемента. То есть эти реакции приводят в движение ток, а не являются бесконечным источником энергии, как предполагалось изначально.^[11] В случае разомкнутой цепи разделение зарядов продолжается до тех пор, пока электрическое поле разделенных зарядов не станет достаточным для остановки реакций. Годами ранее, Алессандро Вольта, который измерял контактную разность потенциалов на границе 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 как ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ или ℰ (U + 2130 ℰ КАПИТАЛ E).

В устройстве без внутреннего сопротивления, если электрический заряд Q проходит через это устройство и получает энергия W, чистая ЭДС для этого устройства - это энергия, полученная на единицу плата, или W/Q. Как и другие меры энергии на заряд, ЭДС использует SI единица измерения вольт, что эквивалентно джоуль на кулон.^[12]

Электродвижущая сила в электростатические установки это статвольт (в сантиметр грамм секунда система единиц равно количеству эрг на электростатическую единицу плата ).

Формальные определения

Внутри Если источник ЭДС является незамкнутым, то консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением зарядов, в точности компенсирует силы, производящие ЭДС. Таким образом, ЭДС имеет то же значение, но противоположный знак, что и интеграл от электрическое поле выровнен по внутреннему пути между двумя клеммами А и B источника ЭДС в состоянии разомкнутой цепи (путь проходит от отрицательной клеммы к положительной клемме, чтобы получить положительную ЭДС, указывающую на работу, проделанную с электронами, движущимися в цепи).^[13] Математически:

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

где E_cs - консервативное электростатическое поле, создаваемое разделением зарядов, связанным с ЭДС, dℓ это элемент пути от терминала А к терминалу B, а ‘·’ обозначает вектор скалярное произведение.^[14] Это уравнение применимо только к местоположениям А и B это терминалы, и не применяется^{[согласно кому? ]} (электродвижущая сила существует только в границах источника) на пути между точками А и B с участками вне источника ЭДС. Это уравнение включает электростатическое электрическое поле из-за разделения зарядов E_cs и не включает (например) какой-либо неконсервативной составляющей электрического поля из-за закона индукции Фарадея.

В случае замкнутого пути при наличии переменного магнитное поле, интеграл от электрическое поле вокруг замкнутого контура может быть ненулевым; одно общее применение концепции ЭДС, известное как "индуцированная ЭДС"- напряжение, наведенное в такой петле.^[15] "индуцированная ЭДС"вокруг неподвижной замкнутой дорожки C является:

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

где E представляет собой все электрическое поле, консервативное и неконсервативное, а интеграл вычисляется вокруг произвольной, но неподвижной замкнутой кривой C через которое возникает переменное магнитное поле. Электростатическое поле не влияет на чистую ЭДС вокруг цепи, потому что электростатическая часть электрического поля равна консервативный (т.е. работа, проделанная против поля вокруг замкнутого пути, равна нулю, см. Закон напряжения Кирхгофа, что справедливо, пока элементы схемы остаются в покое и излучение не учитывается.^[16]).

Это определение можно распространить на произвольные источники ЭДС и движущиеся пути. C:^[17]

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

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ chemical\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ thermal\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$

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

В (электрохимической) термодинамике

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

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

где г - свободная энергия Гибба, S это энтропия, V объем системы, п это его давление и Т это его абсолютная температура.

Комбинация (ℰ, Q ) является примером сопряженная пара переменных. При постоянном давлении указанное выше соотношение дает Отношение Максвелла который связывает изменение напряжения открытой ячейки с температурой Т (измеримая величина) к изменению энтропии S когда заряд прошел изотермически и изобарически. Последнее тесно связано с реакцией энтропия электрохимической реакции, придающей батарее энергию. Это соотношение Максвелла:^[18]

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

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 п₀ - количество электронов / ион, а F₀ это Постоянная Фарадея а знак минус указывает на разрядку ячейки. Предполагая постоянное давление и объем, термодинамические свойства ячейки строго связаны с поведением ее ЭДС:^[18]

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

где ΔЧАС это энтальпия реакции. Все величины справа можно измерить напрямую. Предполагая постоянные температуру и давление:

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

который используется при выводе Уравнение Нернста.

Разница напряжения

Разницу электрического напряжения иногда называют ЭДС.^{[19][20][21][22][23]} Приведенные ниже пункты 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, поскольку разность напряжений при обходе цепи равна нулю. (Омический ИК падение напряжения плюс сумма приложенного электрического напряжения до нуля. Увидеть Закон напряжения Кирхгофа ). ЭДС возникает исключительно из-за химического состава аккумулятора, который 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. (Омический ИК падение плюс приложенное электрическое напряжение снова равно нулю. Увидеть Закон Кирхгофа )
3. А трансформатор соединение двух цепей можно рассматривать как источник ЭДС для одной из цепей, как если бы она была вызвана электрическим генератором; этот пример иллюстрирует происхождение термина «трансформаторная ЭДС».
4. А фотодиод или солнечная батарея может рассматриваться как источник ЭДС, подобный батарее, приводящий к электрическому напряжению, генерируемому разделением зарядов, вызванным светом, а не химической реакцией.^[24]
5. Другие устройства, производящие ЭДС: топливные элементы, термопары, и термобатареи.^[25]

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 том, что называется обратимый клетки.^[26][27]

Разделенный электрический заряд создает электрический разность потенциалов что можно измерить с помощью вольтметр 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, поскольку некоторое напряжение теряется внутри источника.^[20]Однако это можно сделать из измерения силы тока. я и разность напряжений Vпри условии, что внутреннее сопротивление р уже измерено: ℰ = V + Ir.

Поколение

Химические источники

Основная статья: Электрохимическая ячейка

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 Бергманн и другие.^[28] и Переходное состояние.

Гальванический элемент с помощью соляной мост

Вопрос как батарейки (гальванические элементы ) генерировать ЭДС, занимаемую учеными большую часть 19 века. «Место действия электродвижущей силы» было определено в 1889 г. Вальтер Нернст^[29] быть в первую очередь на стыках между электроды и электролит.^[11]

Атомы в молекулах или твердых телах удерживаются вместе химическая связь, который 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.^[30][31] 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. Выделяемая электрическая энергия - это свободная энергия, теряемая системой химической реакции.^[30]

Например, Клетка 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; водный = водный раствор):

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

Сульфат цинка - это электролит в той половине камеры. Это раствор, содержащий катионы цинка. ${\displaystyle \mathrm {Zn} _{}^{2+}}$, и сульфат-анионы ${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}\ }$ с нулевыми зарядами.

В другой половине ячейки катионы меди в электролите из сульфата меди перемещаются к медному катоду, к которому они прикрепляются, поскольку они захватывают 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 недостатке 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.)^[32] Электрическая энергия, высвобождаемая в этой реакции (213 кДж на 65,4 г цинка), может быть объяснена главным образом из-за более слабой связи на 207 кДж (меньшая величина энергии когезии) цинка, который заполняет 3d- и 4s-орбитали, по сравнению с медь, имеющая незаполненную орбиталь, доступную для склеивания.^[30]

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.^[33] 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 удалена (разомкнутая цепь), ЭДС между электродами противодействует электрическому полю из-за разделения зарядов, и реакции прекращаются.

Для данного химического состава клетки при 298 К (комнатная температура) ЭДС ℰ = 1,0934 В, с температурным коэффициентом dℰ/ дТ = −4.53×10⁻⁴ В / К.^[18]

Гальванические элементы

Вольта разработал гальванический элемент около 1792 года и представил свою работу 20 марта 1800 года.^[34] Вольта правильно определил роль разнородных электродов в создании напряжения, но неверно отверг любую роль электролита.^[35] 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».^[36] 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	Клеточная химия			Распространенное имя
	Анод	Растворитель, электролит	Катод
1,2 В	Кадмий	Вода, гидроксид калия	NiO (ОН)	никель-кадмиевый
1,2 В	Мишметалл (поглощение водорода)	Вода, гидроксид калия	Никель	никель-металлогидрид
1,5 В	Цинк	Вода, хлорид аммония или цинка	Углерод, диоксид марганца	Цинк уголь
2,1 В	Свинец	Вода, серная кислота	Диоксид свинца	Свинцово-кислотные
От 3,6 до 3,7 В	Графитовый	Органический растворитель, соли Li	LiCoO2	Литий-ионный
1,35 В	Цинк	Вода, гидроксид натрия или калия	HgO	Ячейка ртути

Электромагнитная индукция

Основная статья: Закон индукции Фарадея

Электромагнитная индукция есть производство 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 ЭДС электромагнитного поля определяется исключительно скоростью изменения магнитного потока через цепь в соответствии с Закон индукции Фарадея.

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

Контактные потенциалы

Смотрите также: Вольта потенциал и Электрохимический потенциал

Когда твердые тела двух разных материалов контактируют, термодинамическое равновесие требует, чтобы одно из твердых тел принимало более высокий электрический потенциал, чем другое. Это называется контактный потенциал.^[37] При контакте разнородных металлов возникает так называемая контактная электродвижущая сила или Гальванический потенциал. Величина этой разности потенциалов часто выражается как разность Уровни Ферми в двух твердых телах, когда они находятся в зарядовой нейтральности, где уровень Ферми (название химический потенциал электронной системы^[38][39]) описывает энергию, необходимую для выведения электрона из тела в некоторую общую точку (например, землю).^[40] Если есть энергетическое преимущество в переносе электрона от одного тела к другому, такая передача произойдет. Передача вызывает разделение зарядов: одно тело получает электроны, а другое теряет электроны. Этот перенос заряда вызывает разность потенциалов между телами, которая частично нейтрализует потенциал, возникающий при контакте, и в конечном итоге достигается равновесие. При термодинамическом равновесии Уровни Ферми равны (энергия удаления электронов одинакова), и теперь между телами существует встроенный электростатический потенциал. Первоначальная разница уровней Ферми до контакта называется ЭДС.^[41]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 появляется в Закон напряжений Кирхгофа как один вклад в сумму потенциальных капель. Обычно ответ заключается 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 все контактные потенциалы равны нулю, поэтому их можно не учитывать в законе Кирхгофа.^[42][43]

Солнечная батарея

Основная статья: Теория солнечных батарей

Эквивалентная схема солнечного элемента; паразитарные сопротивления игнорируются при обсуждении текста.

Напряжение солнечного элемента как функция тока солнечного элемента, подаваемого на нагрузку, для двух светоиндуцированных токов я_L; токи как отношение к обратному току насыщения я₀. Сравните с рис. 1.4 у Нельсона.^[44]

Работу солнечного элемента можно понять из эквивалентной схемы справа.Свет с достаточной энергией (больше, чем запрещенная зона материала), создает мобильные электронно-дырочные пары в полупроводнике. Разделение зарядов происходит из-за ранее существовавшего электрического поля, связанного с p-n переход в тепловом равновесии. (Это электрическое поле создается встроенный потенциал, который возникает из контактный потенциал между двумя разными материалами в соединении.) Разделение зарядов между положительными дыры и отрицательный электроны через p-n переход (а диод ) дает прямое напряжение, то фото напряжение, между подсвечиваемыми выводами диода,^[45] который пропускает ток через любую подключенную нагрузку. Фото Напряжение иногда называют фото ЭДС, различая следствие и причину.

Ток, доступный для внешней цепи, ограничен внутренними потерями I₀= Я_SH + Я_D:

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

Потери ограничивают ток, доступный для внешней цепи. Разделение зарядов, индуцированное светом, в конечном итоге создает ток (называемый прямым током) I_SH через соединение ячейки в направлении, противоположном направлению света. Кроме того, индуцированное напряжение имеет тенденцию к прямое смещение соединение. На достаточно высоких уровнях это прямое смещение перехода вызовет прямой ток, I_D в диоде напротив индуцированного светом. Следовательно, наибольший ток получается в условиях короткого замыкания и обозначается как я_L (для светоиндуцированного тока) в эквивалентной схеме.^[46]Примерно такой же ток получается для прямых напряжений до точки, где диодная проводимость становится значительной.

Ток, подаваемый светящимся диодом во внешнюю цепь, равен:

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

где я₀ - обратный ток насыщения. Где два параметра, которые зависят от конструкции солнечного элемента и в некоторой степени от самого напряжения, равны м, фактор идеальности и кТ / q то тепловое напряжение (около 0,026 В при комнатной температуре).^[46] Это соотношение показано на рисунке с использованием фиксированного значения м = 2.^[47] В условиях холостого хода (то есть, когда я = 0), напряжение холостого хода - это напряжение, при котором прямого смещения перехода достаточно, чтобы прямой ток полностью уравновешивал фототок. Решив вышеуказанное для напряжения V и обозначив его как напряжение холостого хода I – V уравнение так как:

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

что полезно для указания логарифмической зависимости V_ок на светоиндуцированный ток. Обычно напряжение холостого хода составляет не более примерно 0,5 В.^[48]

При движении нагрузки фото напряжение меняется. Как показано на рисунке, для сопротивления нагрузки р_L, ячейка развивает напряжение, которое находится между значением короткого замыкания V = 0, я = я_L и значение холостого хода V_ок, я = 0, значение, заданное Закон Ома V = I R_L, где текущий я разница между током короткого замыкания и током из-за прямого смещения перехода, как показано эквивалентной схемой^[49] (пренебрегая паразитарные сопротивления ).^[50]

В отличие от батареи, при уровнях тока, подаваемых во внешнюю цепь, близкие я_L, солнечный элемент действует больше как генератор тока вместо генератора напряжения (около вертикальной части двух проиллюстрированных кривых)^[24]Потребляемый ток почти фиксирован в диапазоне напряжений нагрузки, до одного электрона на преобразованный фотон. В квантовая эффективность, или вероятность получить электрон фототока на падающий фотон, зависит не только от самого солнечного элемента, но и от спектра света.

Смотрите также

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

использованная литература

1. ЭДС. (1992). Словарь английского языка American Heritage 3-е изд. Бостон: Хоутон Миффлин.
2. Стюарт, Джозеф В. (2001). Промежуточная электромагнитная теория. World Scientific. п. 389.
3. Типлер, Пол А. (январь 1976 г.). Физика. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Worth Publishers, Inc. стр.803. ISBN  978-0-87901-041-6.
4. Ирвинг Ленгмюр (1916). «Связь между контактными потенциалами и электрохимическим действием». Труды Американского электрохимического общества. Общество. 29: 175.
5. Дэвид М. Кук (2003). Теория электромагнитного поля. Курьер Дувр. п. 157. ISBN  978-0-486-42567-2.
6. Лоуренс М. Лернер (1997). Физика для ученых и инженеров. Издательство "Джонс и Бартлетт". С. 724–727. ISBN  978-0-7637-0460-5.
7. Пол А. Типлер; Джин Моска (2007). Физика для ученых и инженеров (6 изд.). Макмиллан. п. 850. ISBN  978-1-4292-0124-7.
8. Элвин М. Халперн; Эрих Эрльбах (1998). Очерк теории и проблемы начальной физики Шаума II. McGraw-Hill Professional. п. 138. ISBN  978-0-07-025707-8.
9. Роберт Л. Лерман (1998). Физика - легкий путь. Образовательная серия Бэррона. п.274. ISBN  978-0-7641-0236-3. потенциал реакции разделенного заряда ЭДС.
10. Сингх, Конгбам Чандрамани (2009). «§3.16 ЭДС источника». Основы физики. Прентис Холл Индия. п. 152. ISBN  978-81-203-3708-4.
11. Флориан Каджори (1899). История физики в ее элементарных отраслях: включая эволюцию физических лабораторий. Компания Macmillan. стр.218 –219. место электродвижущей силы.
12. Ван Валкенбург (1995). Основное электричество. Cengage Learning. С. 1–46. ISBN  978-0-7906-1041-2.
13. Дэвид Дж. Гриффитс (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Пирсон / Аддисон-Уэсли. п.293. ISBN  978-0-13-805326-0.
14. Учитывается только электрическое поле, возникающее в результате разделения зарядов, вызванного ЭДС. В то время как солнечный элемент имеет электрическое поле, возникающее из-за контактного потенциала (см. контактные потенциалы и солнечные батареи ), эта составляющая электрического поля в интеграл не входит. Учитывается только электрическое поле, возникающее в результате разделения зарядов, вызванного энергией фотонов.
15. Ричард П. Оленик; Том М. Апостол; Дэвид Л. Гудштейн (1986). За пределами механической вселенной: от электричества до современной физики. Издательство Кембриджского университета. п. 245. ISBN  978-0-521-30430-6.
16. Макдональд, Кирк Т. (2012). «Падение напряжения, разность потенциалов и ЭДС» (PDF). Примеры физики. Университет Принстона. п. 1, сл. 3.
17. Дэвид М. Кук (2003). Теория электромагнитного поля. Курьер Дувр. п. 158. ISBN  978-0-486-42567-2.
18. Колин Би П. Финн (1992). Теплофизика. CRC Press. п. 163. ISBN  978-0-7487-4379-7.
19. М. Фогель (2002). Основное электричество. Ассоциация исследований и образования. п. 76. ISBN  978-0-87891-420-3.
20. Дэвид Халлидей; Роберт Резник; Джерл Уокер (2008). Основы физики (6-е изд.). Вайли. п. 638. ISBN  978-0-471-75801-3.
21. Роджер Л. Фриман (2005). Основы телекоммуникаций (2-е изд.). Вайли. п. 576. ISBN  978-0-471-71045-5.
22. Террелл Крофт (1917). Практическое электричество. Макгроу-Хилл. п.533.
23. Леонард Б. Лоэб (2007). Основы электричества и магнетизма (Перепечатка Wiley 1947, 3-е изд.). Читать книги. п. 86. ISBN  978-1-4067-0733-5.
24. Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных батарей. Imperial College Press. п. 7. ISBN  978-1-86094-349-2.
25. Джон С. Ригден (главный редактор), Энциклопедия физики Macmillan. Нью-Йорк: Макмиллан, 1996.
26. Дж. Р. У. Уорн; А. П. Х. Петерс (1996). Краткая химическая термодинамика (2-е изд.). CRC Press. п. 123. ISBN  978-0-7487-4445-9.
27. Сэмюэл Гласстон (2007). Термодинамика для химиков (Перепечатка изд. D. Van Nostrand Co (1964)). Читать книги. п. 301. ISBN  978-1-4067-7322-4.
28. Николаус Риш (2002). «Молекулы - связи и реакции». В L Bergmann; и другие. (ред.). Составляющие материи: атомы, молекулы, ядра и частицы. CRC Press. ISBN  978-0-8493-1202-1.
29. Нернст, Вальтер (1889). "Die elektromotorische Wirksamkeit der Ionen". Z. Phys. Chem. 4: 129.
30. Шмидт-Рор, К. (2018). «Как аккумуляторы накапливают и выделяют энергию: объяснение основ электрохимии» ‘’ J. Chem. Educ. ’’ 95: 1801-1810. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00479
31. Отважный читатель может найти обширное обсуждение органической электрохимии в Кристиан Аматоре (2000). "Базовые концепты". В Хеннинг Лунд; Оле Хаммерих (ред.). Органическая электрохимия (4-е изд.). CRC Press. ISBN  978-0-8247-0430-8.
32. Б. Е. Конвей (1999). «Энергетические факторы по отношению к электродному потенциалу». Электрохимические суперконденсаторы. Springer. п. 37. ISBN  978-0-306-45736-4.
33. Р. Дж. Д. Тилли (2004). Понимание твердых тел. Вайли. п.267. ISBN  978-0-470-85275-0.
34. Пол Флери Моттелэй (2008). Библиографическая история электричества и магнетизма (Перепечатка изд. 1892 г.). Читать книги. п. 247. ISBN  978-1-4437-2844-7.
35. Хельге Краг (2000). "Путаница и противоречие: теории гальванической батареи девятнадцатого века" (PDF). Nuova Voltiana: Исследования о Вольте и его временах. Università degli studi di Pavia. Архивировано из оригинал (PDF) на 20.03.2009.
36. Линнаус Камминг (2008). Введение в теорию электричества (Перепечатка изд. 1885 г.). BiblioBazaar. п. 118. ISBN  978-0-559-20742-6.
37. Джордж Л. Тригг (1995). Знаменательные эксперименты в физике двадцатого века (Перепечатка журнала Crane, Russak & Co, 1975 г.). Курьер Дувр. п. 138 ff. ISBN  978-0-486-28526-9.
38. Ангус Рокетт (2007). «Распространение и дрейф носителей». Материаловедение полупроводников. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Science. п. 74 ff. ISBN  978-0-387-25653-5.
39. Чарльз Киттель (2004). «Химический потенциал во внешних полях». Элементарная статистическая физика (Перепечатка Wiley 1958 ed.). Курьер Дувр. п. 67. ISBN  978-0-486-43514-5.
40. Джордж У. Хэнсон (2007). Основы наноэлектроники. Прентис Холл. п. 100. ISBN  978-0-13-195708-4.
41. Норио Сато (1998). «Полупроводниковые фотоэлектроды». Электрохимия на металлических и полупроводниковых электродах (2-е изд.). Эльзевир. п. 110 ff. ISBN  978-0-444-82806-4.
42. Ричард С. Куимби (2006). Фотоника и лазеры. Вайли. п. 176. ISBN  978-0-471-71974-8.
43. Дональд А. Нимен (2002). Физика полупроводников и приборы (3-е изд.). McGraw-Hill Professional. п.240. ISBN  978-0-07-232107-4.
44. Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных элементов. Imperial College Press. п. 8. ISBN  978-1-86094-349-2.
45. Дхир, С. М. (2000) [1999]. «§3.1 Солнечные элементы». Электронные компоненты и материалы: принципы, производство и обслуживание (Пятое переиздание, 2007 г.). Индия: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. п. 283. ISBN  0-07-463082-2.
46. Херардо Л. Араужо (1994). «§2.5.1 Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода». В Эдуардо Лоренцо (ред.). Солнечное электричество: проектирование фотоэлектрических систем. Progenza для Мадридского политехнического университета. п. 74. ISBN  978-84-86505-55-4.
47. На практике при низких напряжениях м → 2, тогда как при высоких напряжениях м → 1. См. Араужу, op. соч. ISBN  84-86505-55-0. стр.72
48. Роберт Б. Нортроп (2005). «§6.3.2 Фотоэлектрические элементы». Введение в приборы и измерения. CRC Press. п. 176. ISBN  978-0-8493-7898-0.
49. Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных элементов. Imperial College Press. п. 6. ISBN  978-1-86094-349-2.
50. Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных батарей. Imperial College Press. п. 13. ISBN  978-1-86094-349-2.

дальнейшее чтение

• Джордж Ф. Баркер "Об измерении электродвижущей силы ". Труды Американского философского общества, проводимые в Филадельфии для продвижения полезных знаний, Американское философское общество. 19 января 1883 года.
• Эндрю Грей, «Абсолютные измерения электричества и магнетизма», Электродвижущая сила. Макмиллан и Ко., 1884 г.
• Чарльз Альберт Перкинс, «Очертания 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 год. 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 приложения потенциометрии". Лондон, Принстон, Нью-Джерси, Ван Ностранд, 1969. ISBN  0-442-07048-9 LCCN  69-11985
• Набенду С. Чоудхури, 1973. «Измерение 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). «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». Am. J. Phys. 51 (9): 829. Bibcode:1983AmJPh..51..829R. Дои:10.1119/1.13128.
• Г. В. Бернс 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.
• Норио Сато (1998). «Полупроводниковые фотоэлектроды». Электрохимия на металлических и полупроводниковых электродах (2-е изд.). Эльзевир. п. 326 ff. ISBN  978-0-444-82806-4.
• Хай, Фам Нам; Охя, Шинобу; 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:2009Натура.458..489H. Дои:10.1038 / природа07879. PMID  19270681. S2CID  4320209.