Siła elektromotoryczna (SEM) i jej źródła

Do zasilania urządzeń przenośnych takich jak telefony komórkowe, czy laptopy, używa się baterii, czyli źródła energii elektrycznej. Zadaniem baterii jest zapewnienie określonej różnicy potencjałów (napięcia) w obwodzie elektrycznym danego urządzenia, której konsekwencją jest stały przepływ ładunku elektrycznego (prądu) przez to urządzenie. Termin „stały przepływ ładunku elektrycznego” nie bez przyczyny został wytłuszczony – odzwierciedla on bardzo ważną cechę źródła siły elektromotorycznej, w skrócie źródła SEM, którego przykładem jest m.in. bateria.

Jeżeli chcemy, aby przez diodę, czy żarówkę przepłynął prąd elektryczny, powodując jej świecenie, możemy np. podłączyć każdy z jej końców do okładek naładowanego kondensatora. Zasadniczą wadą takiego rozwiązania jest to, że po upływie pewnego czasu, przepływ ładunku spowoduje rozładowanie kondensatora, doprowadzając jego okładki do tego samego potencjału i w konsekwencji do ustania przepływu prądu. Okazuje się zatem, że aby spowodować stały przepływ prądu przez dowolny odbiornik prądu elektrycznego (rezystor, żarówkę itp.) potrzebne jest urządzenie „pompujące” ładunek elektryczny, które wykonując pracę nad ładunkami utrzymuje stałą różnicę potencjałów pomiędzy parą swoich biegunów (zacisków). Takie urządzenie nazywane jest właśnie źródłem siły elektromotorycznej. Siłę elektromotoryczną oznacza się małą grecką literą epsilon – ε. Jej jednostką w układzie SI jest wolt (V).

Siła elektromotoryczna – definicja i wzór

$$\varepsilon = \frac{W}{q}$$

Na poniższym rysunku przedstawiono prosty obwód elektryczny składający się z doskonałego źródła siły elektromotorycznej oraz rezystora o oporze R.

Końcówki rezystora połączone są z zaciskami (biegunami) źródła SEM, różniącymi się wartością potencjału. Biegun źródła oznaczony poprzez + to biegun dodatni charakteryzujący się większym potencjałem (większą elektryczną energią potencjalną), niż biegun ujemny. Aby więc spowodować przepływ nośników ładunku pomiędzy biegunem – a biegunem +, źródło SEM, zgodnie z tym co napisaliśmy wyżej, musi wykonać pracę nad ładunkami. Kierunek prądu (ruchu nośników) wytwarzanego przez takie źródło jest wyznaczony przez strzałkę skierowaną od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego (w przypadku powyższego rysunku ruch ładunków odbywa się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara).

Źródła siły elektromotorycznej

Do źródeł siły elektromotorycznej zaliczamy między innymi:

• baterie,
• prądnice elektryczne,
• ogniwa (panele) słoneczne,
• ogniwa paliwowe,
• termoogniwa,
• niektóre organizmy żywe (np. węgorz elektryczny).

W każdym z wyżej wymienionych źródeł SEM istnieje pewne źródło energii powodujące przepływ nośników ładunku przez takie źródło. Do źródeł energii zaliczamy m.in. procesy chemiczne zachodzące w bateriach i ogniwach paliwowych, siły mechaniczne w prądnicach elektrycznych, promieniowanie elektromagnetyczne w ogniwach słonecznych, czy też różnicę temperatur w termoogniwach.

Doskonałe i rzeczywiste źródło SEM

Doskonałe źródło SEM to źródło charakteryzujące się brakiem oporu wewnętrznego, co oznacza, że całkowita energia takiego źródła przekazywana jest nośnikom ładunku przy przemieszczaniu ich pomiędzy biegunami źródła. Ze względu na ten fakt, różnica potencjałów U  pomiędzy biegunami doskonałego źródła SEM równa się jego sile elektromotorycznej ε:

$$U = \varepsilon$$

Moc przekazu energii nośnikom ładunku przez doskonałe źródło SEM wynosi wobec tego:

$$P = \varepsilon \hspace{.05cm} I$$

Rzeczywiste źródło SEM, którego przykłady znajdziesz powyżej, to źródło, którego opór wewnętrzny r_w  różni się od zera (na opór wewnętrzny rzeczywistego źródła SEM składa się opór elektryczny wszystkich elementów wchodzących w jego skład).

Oznacza to, że całkowita energia takiego źródła przekazywana jest częściowo nośnikom ładunku oraz częściowo zamieniana jest na wewnętrzną energię termiczną źródła. Gdy obwód elektryczny nie jest podłączony do rzeczywistego źródła SEM (prąd nie przepływa przez obwód), wówczas różnica potencjałów pomiędzy biegunami źródła równa jest jego sile elektromotorycznej. W przeciwnym wypadku, tzn. gdy obwód podłączony jest do źródła, różnica potencjałów między biegunami różni się od SEM źródła o wielkość I r_w  związaną ze spadkiem napięcia na źródle (konsekwencja oporu wewnętrznego):

$$U = \varepsilon \hspace{.1cm} – \hspace{.1cm} I \hspace{.05cm} r_w$$

Ponieważ część energii źródła ulega zamianie na wewnętrzną energię termiczną, dlatego też moc rzeczywistego źródła SEM w porównaniu z doskonałym źródłem jest pomniejszona o moc I ² r_w  rozproszoną w takim źródle:

$$P = \varepsilon \hspace{.05cm} I \hspace{.1cm} – \hspace{.1cm} I^2 \hspace{.05cm} r_w$$

Wiele źródeł SEM a kierunek przepływu prądu w obwodzie

W przypadku, gdy obwód elektryczny składa się tylko z jednego źródła siły elektromotorycznej kierunek przepływu prądu w takim obwodzie wyznaczony jest przez strzałkę skierowaną od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego źródła SEM (zobacz dwa powyższe rysunki). W przypadku, gdy obwód elektryczny składa się z co najmniej dwóch źródeł siły elektromotorycznej, wówczas kierunek prądu w takim obwodzie wyznaczony jest przez strzałkę stojącą przy źródle o największej wartości SEM.