تعریف نیروی محرکه الکتریکی

نیروی محرکه الکتریکی چیست؟

ولتاژ منابع بسیاری دارد که تعدادی از آن ها در شکل 1 نشان داده شده است. همه این سیستم ها اختلاف پتانسیل ایجاد می کنند و در صورت اتصال به مدار می توانند جریان را تأمین کنند.

یک نوع خاص از اختلاف پتانسیل به عنوان «نیروی محرکه الکتریکی» (Electromotive Force) یا به اختصار EMF شناخته می شود. در واقع، نیروی محرکه الکتریکی نیرو نیست و از اصطلاح «نیروی محرکه الکتریکی» به دلایل تاریخی استفاده می شود.

این اصطلاح توسط «آلساندرو ولتا» (Alessandro Volta) که اولین باتری (به عنوان پیل ولتاژ) را اختراع کرد، در دهه 1800 به کار برده شد.

از آنجا که نیروی محرکه الکتریکی نیرو نیست، معمولاً به این منابع به جای منبع نیروی محرکه الکتریکی صرفاً منبع EMF (که با نام ای ام اف تلفظ می شود) می گویند.

شکل 1: منابع ولتاژ مختلف.

• (الف) مزرعه بادی.
• (ب) سد نیروگاه برق آبی؛ ج) مزرعه خورشیدی.
• (د) تعدادی از باتری های هیدرید فلز نیکل. خروجی ولتاژ هر منبع به ساختار و بار آن بستگی دارد. ولتاژ خروجی تنها در صورت عدم وجود بار با EMF برابر است.

اگر نیروی محرکه الکتریکی نیرو نیست، پس EMF و منبع EMF چیست؟
برای پاسخ به این پرسش ها، یک مدار ساده متشکل از یک لامپ 12 ولتی متصل به یک باتری 12 ولتی را همان طور که در شکل 2 نشان داده شده است، در نظر بگیرید.

باتری را می توان به عنوان یک دستگاه دو ترمیناله مدل کرد که یکی از ترمینال های آن پتانسیل الکتریکی بالاتری نسبت به ترمینال دوم دارد.

پتانسیل الکتریکی بالاتر گاهی ترمینال مثبت نامیده می شود و با علامت به علاوه مشخص می شود. ترمینال با پتانسیل پایین تر نیز ترمینال منفی نامیده می شود و با علامت منها برچسب گذاری می شود. این باتری منبع EMF است.

شکل 2: یک منبع EMF یکی از ترمینال ها را در پتانسیل الکتریکی بالاتر از ترمینال دیگر نگه می دارد و به عنوان منبع جریان در مدار عمل می کند.

هنگامی که منبع EMF به لامپ وصل نشده باشد، هیچ جریان خالص بار الکتریکی در منبع EMF وجود ندارد. هنگامی که باتری به لامپ وصل شد، بارها از یک ترمینال باتری، به سمت لامپ حرکت کرده و باعث روشن شدن آن می شوند و به ترمینال دیگر باتری باز می گردند.

اگر جریان مثبت (قراردادی) را در نظر بگیریم، بارهای مثبت ترمینال مثبت را ترک می کنند، از لامپ می گذرند و وارد ترمینال منفی می شوند.

جریان مثبت برای تجزیه و تحلیل مدار مفید است، اما در سیم ها و مقاومت های فلزی، الکترون ها حرکت می کنند و جریان را می سازند که در جهت مخالف حرکت آن ها است. بنابراین، واقع بینانه تر این است که حرکت الکترون ها را برای تجزیه و تحلیل مدار شکل 2 در نظر بگیریم.

الکترون ها ترمینال منفی را ترک می کنند، از لامپ عبور می کنند و به ترمینال مثبت باز می گردند. برای اینکه منبع EMF اختلاف پتانسیل بین دو پایانه را حفظ کند، بارهای منفی (الکترون ها) باید از پایانه مثبت به ترمینال منفی حرکت کنند.

منبع EMF به عنوان یک پمپ بار عمل کرده و بارهای منفی را از ترمینال مثبت به ترمینال منفی منتقل می کند تا اختلاف پتانسیل را حفظ کند. این کار باعث افزایش انرژی پتانسیل بارها و بنابراین پتانسیل الکتریکی آن ها می شود.

همان طور که در شکل 2 نشان داده شده، نیروی اعمال شده بر بار منفی از طرف میدان الکتریکی در خلاف جهت میدان الکتریکی است.

برای اینکه بارهای منفی به ترمینال منفی منتقل شوند، باید کار روی بارهای منفی انجام شود. این کار نیاز به انرژی دارد، که از واکنش های شیمیایی موجود در باتری حاصل می شود.

پتانسیل در پایانه مثبت بالا و در پایانه منفی پایین نگه داشته می شود تا اختلاف پتانسیل بین دو پایانه حفظ شود. هنگامی که جریان نداشته باشیم، EMF برابر با کاری است که روی هر واحد بار انجام می شود(ϵ=dWdq). از آنجا که واحد کار ژول و واحد بار کولن است، واحد EMF ولت(1V=1J/C) خواهد بود.

ولتاژ ترمینالVterminal یک باتری ولتاژی است که در هنگام عدم وجود بار متصل به ترمینال، در پایانه های باتری اندازه گیری می شود.

باتری ایده آل یک منبع EMF است که مستقل از جریان بین دو ترمینال، ولتاژ ترمینال ثابت را حفظ می کند. باتری ایده آل هیچ مقاومت داخلی ندارد و ولتاژ ترمینال برابر با EMF باتری است.

در بخش بعدی نشان خواهیم داد که یک باتری واقعی دارای مقاومت داخلی است و ولتاژ ترمینال همیشه کمتر از EMF باتری است.