Forța electromotoare

Figura 10.1 Acest circuit prezentat este folosit pentru a amplifica semnale mici și pentru a alimenta difuzoarele căștilor atașate la un telefon mobil. Componentele acestui circuit includ rezistențe, condensatoare și diode, toate acestea au fost tratate în capitolele anterioare, precum și tranzistori, care sunt dispozitive semiconductoare abordate în Fizica materiei condensate. Circuitele care folosesc componente similare se găsesc în toate tipurile de echipamente și aparate pe care le întâlniți în viața de zi cu zi, cum ar fi ceasurile cu alarmă, televizoarele, computerele și frigiderele.

În cele câteva capitole precedente, am discutat despre componentele electrice, inclusiv condensatoare, rezistențe și diode. În acest capitol, folosim aceste componente electrice în circuite. Un circuit este o colecție de componente electrice conectate pentru a îndeplini o anumită sarcină. Figura 10.1 prezintă un circuit amplificator, care preia un semnal de amplitudine mică și îl amplifică pentru a alimenta difuzoarele din căști. Deși circuitul pare complex, el constă de fapt dintr-un set de circuite în serie, paralele și serie-paralel. A doua secțiune a acestui capitol acoperă analiza circuitelor în serie și paralel care constau din rezistențe. Mai târziu în acest capitol, vom introduce ecuațiile și tehnicile de bază pentru analiza oricărui circuit, inclusiv pe cele care nu sunt reductibile prin simplificarea elementelor paralele și în serie. Dar mai întâi, trebuie să înțelegem cum să alimentam un circuit.

Forța electromotoare

Dacă uitați să stingeți luminile mașinii, acestea se diminuează încet pe măsură ce bateria se descarcă. De ce nu clipesc brusc când energia bateriei dispare? Reducerea gradată a luminii lor implică faptul că tensiunea de ieșire a bateriei scade pe măsură ce bateria este epuizată. Motivul scăderii tensiunii de ieșire pentru bateriile epuizate este că toate sursele de tensiune au două părți fundamentale – o sursă de energie electrică și o rezistență internă. În această secțiune, examinăm sursa de energie și rezistența internă.

Tensiunea are multe surse, dintre care câteva sunt prezentate în Figura 10.2. Toate aceste dispozitive creează o diferență de potențial și pot furniza curent dacă sunt conectate la un circuit. Un tip special de diferență de potențial este cunoscut sub numele de forță electromotoare (electromotive force, emf). EMF nu este deloc o forță, dar termenul „forță electromotoare” este folosit din motive istorice. A fost inventat de Alessandro Volta în anii 1800, când a inventat prima baterie, cunoscută și sub numele de pilă voltaică. Deoarece forța electromotoare nu este o forță, este obișnuit să ne referim la aceste surse pur și simplu ca surse de fem (pronunțate ca literele „ee-em-eff”), în loc de surse de forță electromotoare.

Figura 10.2 O varietate de surse de tensiune. (a) Parcul eolian Brazos din Fluvanna, Texas; (b) barajul Krasnoyarsk din Rusia; (c) o fermă solară; (d) un grup de baterii nichel-hidrură metalică. Tensiunea de ieșire a fiecărui dispozitiv depinde de construcția și sarcina acestuia. Tensiunea de ieșire este egală cu fem numai dacă nu există sarcină.

Dacă forța electromotoare nu este deloc o forță, atunci care este emf și care este o sursă de emf? Pentru a răspunde la aceste întrebări, luați în considerare un circuit simplu al unei lămpi de 12 V atașat la o baterie de 12 V, așa cum se arată în Figura 10.3. Bateria poate fi modelată ca un dispozitiv cu două terminale care menține un terminal la un potențial electric mai mare decât al doilea terminal. Potențialul electric mai mare este uneori numit terminal pozitiv și este etichetat cu un semn plus. Terminalul cu potențial inferior este uneori numit terminal negativ și etichetat cu un semn minus. Aceasta este sursa EMF.

Figura 10.3 O sursă de fem menține un terminal la un potențial electric mai mare decât celălalt terminal, acționând ca o sursă de curent într-un circuit.

Când sursa EMF nu este conectată la lampă, nu există un flux net de sarcini în cadrul sursei EMF. Odată ce bateria este conectată la lampă, sarcinile curg de la un terminal al bateriei, prin lampă (determinând aprinderea lămpii) și înapoi la celălalt terminal al bateriei. Dacă luăm în considerare fluxul de curent pozitiv (convențional), sarcinile pozitive părăsesc terminalul pozitiv, călătoresc prin lampă și intră pe terminalul negativ.

Fluxul de curent pozitiv este util pentru majoritatea analizei circuitelor din acest capitol, dar în firele și rezistențele metalice, electronii contribuie cel mai mult la curent, curgând în direcția opusă fluxului de curent pozitiv. Prin urmare, este mai realist să luăm în considerare mișcarea electronilor pentru analiza circuitului din Figura 10.3. Electronii părăsesc terminalul negativ, călătoresc prin lampă și revin la terminalul pozitiv. Pentru ca sursa EMF să mențină diferența de potențial dintre cele două terminale, sarcinile negative (electroni) trebuie mutate de la terminalul pozitiv la terminalul negativ. Sursa EMF acționează ca o pompă de sarcini, deplasând sarcinile negative de la terminalul pozitiv la terminalul negativ pentru a menține diferența de potențial. Aceasta crește energia potențială a sarcinilor și, prin urmare, potențialul electric al sarcinilor.

Forța asupra sarcinilor negative din câmpul electric este în direcția opusă câmpului electric, așa cum se arată în Figura 10.3. Pentru ca sarcinile negative să fie mutate la terminalul negativ, trebuie să se efectueze lucru mecanic asupra sarcinilor negative. Acest lucru mecanic necesită energie, care provine din reacțiile chimice din baterie. Potențialul este menținut ridicat pe terminalul pozitiv și scăzut pe terminalul negativ pentru a menține diferența de potențial dintre cele două terminale. EMF este egală cu lucrul mecanic efectuat pe sarcini pe unitate de sarcină (ε = dW/dq) atunci când nu există curent. Deoarece unitatea de lucru mecanic este joule și unitatea de sarcină este coulombul, unitatea pentru emf este voltul (1 V  = 1 J/C).

Tensiunea la borna V_terminal al unei baterii este tensiunea măsurată la bornele bateriei. O baterie ideală este o sursă EMF care menține o tensiune constantă la borne, independent de curentul dintre cele două borne. O baterie ideală nu are rezistență internă, iar tensiunea la borne este egală cu emf-ul bateriei. În secțiunea următoare, vom arăta că o baterie reală are rezistență internă și tensiunea la borne este întotdeauna mai mică decât emf-ul bateriei.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2023 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3