EMF-Quelle mit geschlossenem Außenkreis
Der Grund für die Trennung von Ladungen und deren Bewegung in einem geschlossenen Kreislauf wird als elektromotorische Kraft (EMK, EMK) bezeichnet.
Der EMF-Wert jeder Quelle, in der Ladungstrennung auftritt, wird anhand der Arbeit geschätzt, die das Feld aufwendet, um eine Einheitsladung von einer Elektrode mit niedrigerem Potenzial zu einer Elektrode mit höherem Potenzial zu bewegen.
Gemäß der Definition des Potenzials ist diese Arbeit gleich der Potenzialdifferenz der getrennten Ladungen, die wie die Ursache, die die Ladungen trennt, genannt wird elektromotorische Kraft.
Werden die Quellenklemmen mit einem leitenden Körper verbunden und bilden so einen geschlossenen Stromkreis, so wird dieser hergestellt Elektrizität, deren Richtung im äußeren Stromkreis mit der Richtung der EMF übereinstimmt. Innerhalb der Quelle findet ständig eine Ladungstrennung statt und die Potentialdifferenz bleibt erhalten.
Die Bewegung geladener Teilchen in Gegenwart eines Stroms hat im gesamten geschlossenen Stromkreis die gleiche Richtung, und die Arbeit, die das Feld aufwendet, um eine Einheitsladung entlang eines geschlossenen Stromkreises zu bewegen, kann mit einem Wert geschätzt werden, der ebenfalls gleich der Arbeit von ist die Kräfte innerhalb der Quellen, die eine Einheitsladung relativ zu den Kräften von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode bewegen elektrisches Feld.
Bei einem Gleichstrom werden die an den Elektroden der Quelle konzentrierten Ladungen kontinuierlich wiederhergestellt, und das durch diese Ladungen verursachte Feld um die Elektroden hat den gleichen Charakter wie in einem offenen externen Stromkreis: Es ist Potential. Im Gegensatz zum elektrostatischen Feld kontinuierlich regenerierter Ladungen spricht man von einem stationären Feld.
Ein stationäres Feld unterscheidet sich von einem elektrostatischen Feld nicht nur dadurch, dass die Ladung der Quelle dieses Feldes ständig wiederhergestellt wird, sondern auch dadurch, dass sich ein solches Feld sowohl um leitende Körper als auch innerhalb dieser Körper befindet. Für ein stationäres Feld, das den gleichen Charakter hat wie ein Potentialfeld, für jeden geschlossenen Kreislauf, der nicht durch eine EMF-Quelle verläuft.
Bezugnehmend auf die hydrodynamische Analogie im Fall eines geschlossenen externen Kreislaufs der EMF-Quelle müssen wir uns den Betrieb des Hydrauliksystems mit einem offenen Abflussrohr vorstellen, in dem sich beispielsweise ein bestimmter Empfänger (Hydraulikmotor) befindet. Um einen konstanten Niveauunterschied zwischen den Tanks aufrechtzuerhalten, muss die Pumpe die Flüssigkeitsmenge im oberen Tank auffüllen, die durch das Abflussrohr fließt.
Die vom Motor aufgewendete Arbeit zum Heben dieser Flüssigkeitsmenge ist proportional zum Niveauunterschied und kann durch den Wert dieses Unterschieds charakterisiert werden. Die vom Flüssigkeitsstrom beim Fallen vom oberen zum unteren Niveau verrichtete Arbeit ist proportional zum gleichen Niveauunterschied und, wenn kein Verlust zugelassen wird, gleich der vom Motor geleisteten Arbeit.
Die elektromotorische Kraft ist bei einer Reihe von Quellen praktisch unabhängig von der Größe des elektrischen Stroms im Stromkreis, weshalb häufig davon ausgegangen wird, dass sie sowohl im Leerlauf der Quelle als auch bei Volllast gleich bleibt. Allerdings unterscheidet sich die EMF beim Laden der Quelle in der Regel geringfügig vom EMF-Wert im Leerlauf (normalerweise weniger).
Die Änderung der EMF wird in diesem Fall durch die sogenannte Quellenreaktion erklärt. Zum Beispiel, in chemischen EMF-Quellen seine Abnahme wird im Zusammenhang mit dem Phänomen der Polarisation beobachtet, in elektrischen Maschinengeneratoren — aufgrund der Auferlegung eines Laststroms, der in die entgegengesetzte Richtung zum Magnetfeld gerichtet ist, auf das Magnetfeld.
Der Potentialunterschied zwischen einzelnen Punkten in einem Stromkreis hängt von der Spannungsverteilung entlang des Stromkreises ab. Insbesondere hängt die Potentialdifferenz zwischen den Quellenanschlüssen vom Verhältnis zwischen Außen- und Innenwiderstand der Quelle, dem sogenannten inneren Spannungsabfall, ab.
Die elektromotorische Kraft kann sprunghaft auf einen äußerst begrenzten Abschnitt des Stromkreises konzentriert (was beispielsweise bei galvanischen, thermoelektrischen und auch anderen Quellen auftritt, bei denen die EMF an den Kontaktpunkten verschiedener Stoffe entsteht) oder verteilt werden über einen Teil des internen Quellenkreises.
Letzteren Fall treffen wir bei Generatoren elektrischer Maschinen an, bei denen über eine beträchtliche Länge von Drähten eine EMK induziert wird, während diese sich in einem Magnetfeld bewegen, und die gesamte EMK die Summe der elementaren EMK ist, die in einzelnen Abschnitten des Stromkreises induziert wird. Die Summe dieser Werte entspricht der Potentialdifferenz zwischen Anfang und Ende der Drähte.
Bei der Analyse und Berechnung von EMF-haltigen Stromkreisen wird häufig davon ausgegangen, dass die EMF in der Natur konzentriert sind. Das Vorhandensein eines Innenwiderstands der Quelle wird durch die Einführung eines zusätzlichen Einschaltwiderstands berücksichtigt.
Da EMF die Umwandlung der einen oder anderen Energieart in elektrische Energie beim Stromdurchgang charakterisiert, wird bei EMF- oder Stromquellen auch der Begriff „Quelle (elektrischer) Energie“ verwendet. Alle diese Begriffe sind synonym, wenn es um die tatsächlichen Quellen geht.
Wenn sie elektrische Schaltkreise berechnen und analysieren, machen sie manchmal einen Unterschied Stromquellen und EMF-Quellen.
Unter einer EMF-Quelle wird eine solche Energiequelle verstanden, deren EMF unabhängig vom Wert des Innenwiderstands betrachtet werden kann und die EMF einer solchen Quelle gegen Unendlich tendieren muss. Manchmal wird dies durch schematische Lösungen, den Einsatz von Stabilisierungsgeräten usw. erreicht.