Źródła chemiczneEdit
Pytanie, w jaki sposób baterie (ogniwa galwaniczne) generują emf, zajmowało naukowców przez większość XIX wieku. Siedziba siły elektromotorycznej” została ostatecznie określona w 1889 r. przez Walthera Nernsta, jako znajdująca się głównie na styku elektrod i elektrolitu.
Atomy w cząsteczkach lub ciałach stałych są utrzymywane razem przez wiązanie chemiczne, które stabilizuje cząsteczkę lub ciało stałe (tj. zmniejsza jej energię). Kiedy cząsteczki lub ciała stałe o względnie wysokiej energii łączą się ze sobą, może dojść do spontanicznej reakcji chemicznej, która zmienia układ wiązań i zmniejsza (swobodną) energię układu. W bateriach, sprzężone pół-reakcje, często z udziałem metali i ich jonów, zachodzą w tandemie, z pozyskiwaniem elektronów (zwanym „redukcją”) przez jedną elektrodę przewodzącą i utratą elektronów (zwaną „utlenianiem”) przez drugą (reakcje redukcji-utleniania lub redoks). Spontaniczna reakcja ogólna może zachodzić tylko wtedy, gdy elektrony przemieszczają się przez zewnętrzny przewód pomiędzy elektrodami. Wydzielana energia elektryczna jest wolną energią traconą przez system reakcji chemicznej.
Jako przykład, ogniwo Daniella składa się z anody cynkowej (kolektora elektronów), która jest utleniana podczas rozpuszczania się w roztworze siarczanu cynku. Rozpuszczający się cynk pozostawia swoje elektrony w elektrodzie zgodnie z reakcją utleniania (s = elektroda stała; aq = roztwór wodny):
Z n ( s ) → Z n ( a q ) 2 + + 2 e – { {displaystyle {Zn_{(s)} {Zn_{(aq)}^{2+}+2e^{-}} } }
Siarczan cynku jest elektrolitem w tym półogniwie. Jest to roztwór, który zawiera kationy cynku Z n 2 + {{displaystyle {Zn} _{}^{2+}}
Mathmathrm {Zn} _{}^{2+}, oraz aniony siarczanowe S O 4 2 – {{displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}\ }
z ładunkami, które równoważą się do zera.
W drugim półogniwie kationy miedzi w elektrolicie z siarczanem miedzi przemieszczają się do katody miedzianej, do której się przyczepiają, ponieważ przyjmują elektrony z elektrody miedzianej w reakcji redukcji:
C u ( a q ) 2 + + 2 e – → C u ( s ) { {displaystyle ™mathrm {Cu_{(aq)}^{2+}+2e^{-}}}prawidłowo Cu_{(s)}} }
co pozostawia deficyt elektronów na katodzie miedzianej. Różnica nadmiaru elektronów na anodzie i deficytu elektronów na katodzie powoduje powstanie potencjału elektrycznego pomiędzy obiema elektrodami. (Szczegółowe omówienie mikroskopowego procesu przenoszenia elektronów pomiędzy elektrodą a jonami w elektrolicie można znaleźć w książce Conwaya). Energia elektryczna uwolniona w tej reakcji (213 kJ na 65,4 g cynku) może być przypisana głównie słabszemu wiązaniu o 207 kJ (mniejsza wielkość energii kohezji) cynku, który ma wypełnione orbitale 3d- i 4s, w porównaniu z miedzią, która ma niewypełniony orbital dostępny do wiązania.
Jeżeli katoda i anoda są połączone zewnętrznym przewodnikiem, elektrony przechodzą przez ten zewnętrzny obwód (żarówka na rysunku), podczas gdy jony przechodzą przez mostek solny, aby utrzymać równowagę ładunku, aż anoda i katoda osiągną równowagę elektryczną równą zero woltów, tak jak równowaga chemiczna jest osiągnięta w ogniwie. W procesie tym anoda cynkowa ulega rozpuszczeniu, a elektroda miedziana zostaje pokryta miedzią. Tak zwany „mostek solny” ma za zadanie zamknąć obwód elektryczny, zapobiegając jednocześnie przemieszczaniu się jonów miedzi do elektrody cynkowej i ich redukcji tam bez generowania prądu zewnętrznego. Nie jest on wykonany z soli, lecz z materiału zdolnego do odprowadzania kationów i anionów (zdysocjowana sól) do roztworów. Przepływ dodatnio naładowanych kationów wzdłuż „mostka” jest równoważny takiej samej liczbie ładunków ujemnych płynących w przeciwnym kierunku.
Jeśli żarówka zostanie wyjęta (obwód otwarty), emf między elektrodami przeciwstawia się polu elektrycznemu wynikającemu z separacji ładunków i reakcje ustają.
Dla tej konkretnej chemii ogniwa, w temperaturze 298 K (temperatura pokojowa), emf ℰ = 1,0934 V, ze współczynnikiem temperaturowym dℰ/dT = -4,53×10-4 V/K.
Ogniwa woltaiczneEdit
Volta opracował ogniwo woltaiczne około 1792 roku, a swoją pracę przedstawił 20 marca 1800 roku. Volta poprawnie określił rolę różnych elektrod w wytwarzaniu napięcia, ale błędnie odrzucił jakąkolwiek rolę elektrolitu. Volta uporządkował metale w „szereg napięciowy”, „to znaczy w takiej kolejności, że każdy z nich staje się dodatni w kontakcie z każdym następnym, ale ujemny w kontakcie z każdym poprzedzającym go”. Typowa konwencja symboliczna w schemacie tego obwodu ( -||- ) miałaby długą elektrodę 1 i krótką elektrodę 2, aby wskazać, że elektroda 1 dominuje. Prawo Volty o przeciwnych emfazach elektrod sugeruje, że biorąc pod uwagę dziesięć elektrod (na przykład cynk i dziewięć innych materiałów), można utworzyć 45 unikalnych kombinacji ogniw woltaicznych (10 × 9/2).
Typowe wartościEdit
Siła elektromotoryczna wytwarzana przez ogniwa pierwotne (jednorazowe) i wtórne (ładowalne) jest zwykle rzędu kilku woltów. Podane poniżej wartości są wartościami nominalnymi, ponieważ emf zmienia się w zależności od wielkości ładunku i stanu wyczerpania ogniwa.
| EMF | Chemia ogniw | Nazwa zwyczajowa | ||
|---|---|---|---|---|
| Anoda | Rozpuszczalnik, elektrolit | Katoda | ||
| 1.2 V | Kadm | Woda, wodorotlenek potasu | NiO(OH) | niklowo-kadmowy |
| 1.2 V | Mischmetal (pochłaniający wodór) | Woda, wodorotlenek potasu | Nikel | wodorotlenek niklu-metal |
| 1.5 V | Cynk | Woda, chlorek amonu lub cynku | Węgiel, dwutlenek manganu | Węgiel cynku |
| 2.1 V | Ołów | Woda, kwas siarkowy | Dwutlenek ołowiu | Kwas ołowiowy |
| 3,6 V do 3.7 V | Grafit | Rozpuszczalnik organiczny, sole Li | LiCoO2 | Lithium-ion |
| 1.35 V | Cynk | Woda, wodorotlenek sodu lub potasu | HgO | Ogniwo rtęciowe |
Indukcja elektromagnetycznaEdit
Indukcja elektromagnetyczna to wytwarzanie krążącego pola elektrycznego przez pole magnetyczne zależne od czasu. Pole magnetyczne zależne od czasu może być wytworzone albo przez ruch magnesu względem obwodu, przez ruch obwodu względem innego obwodu (przynajmniej jeden z nich musi przewodzić prąd elektryczny), albo przez zmianę prądu elektrycznego w obwodzie stałym. Wpływ zmiany prądu elektrycznego na sam obwód jest znany jako samoindukcja; wpływ na inny obwód jest znany jako indukcja wzajemna.
Dla danego obwodu, elektromagnetycznie indukowany emf jest określony wyłącznie przez szybkość zmiany strumienia magnetycznego przez obwód, zgodnie z prawem indukcji Faradaya.
Emf jest indukowany w cewce lub przewodniku zawsze, gdy następuje zmiana w powiązaniach strumienia. W zależności od sposobu wywołania tych zmian rozróżnia się dwa rodzaje: Kiedy przewodnik jest poruszany w stacjonarnym polu magnetycznym w celu uzyskania zmiany w powiązaniach strumienia, emf jest statycznie indukowany. Siła elektromotoryczna wytwarzana przez ruch jest często określana jako emf ruchowy. Kiedy zmiana w powiązaniu strumienia wynika ze zmiany pola magnetycznego wokół nieruchomego przewodnika, emf jest indukowana dynamicznie. Siłę elektromotoryczną wytworzoną przez zmienne w czasie pole magnetyczne często określa się mianem emf transformatorowej.
Potencjały kontaktoweEdit
Gdy ciała stałe z dwóch różnych materiałów są w kontakcie, równowaga termodynamiczna wymaga, aby jedno z ciał stałych przyjęło wyższy potencjał elektryczny niż drugie. Nazywa się to potencjałem kontaktowym. Różniące się metale w kontakcie wytwarzają coś, co znane jest również jako kontaktowa siła elektromotoryczna lub potencjał Galvaniego. Wielkość tej różnicy potencjałów jest często wyrażana jako różnica poziomów Fermiego w dwóch ciałach stałych, gdy są one w stanie neutralności ładunkowej, gdzie poziom Fermiego (nazwa potencjału chemicznego układu elektronowego) opisuje energię niezbędną do usunięcia elektronu z ciała do jakiegoś wspólnego punktu (np. ziemi). Jeżeli istnieje korzyść energetyczna w przeniesieniu elektronu z jednego ciała do drugiego, to takie przeniesienie nastąpi. Przeniesienie powoduje rozdzielenie ładunku, przy czym jedno ciało zyskuje elektrony, a drugie je traci. To przeniesienie ładunku powoduje różnicę potencjałów między ciałami, która częściowo znosi potencjał pochodzący z kontaktu i w końcu osiągana jest równowaga. W stanie równowagi termodynamicznej, poziomy Fermiego są równe (energia usuwania elektronów jest identyczna) i istnieje teraz wbudowany potencjał elektrostatyczny pomiędzy ciałami.Pierwotna różnica poziomów Fermiego, przed kontaktem, jest określana jako emf.Potencjał kontaktowy nie może napędzać stałego prądu przez ładunek podłączony do jego zacisków, ponieważ prąd ten wiązałby się z transferem ładunku. Nie istnieje żaden mechanizm, który umożliwiałby kontynuację takiego transferu, a tym samym utrzymanie prądu po osiągnięciu stanu równowagi.
Można zapytać, dlaczego potencjał kontaktowy nie pojawia się w prawie Kirchhoffa jako jeden z elementów sumy spadków potencjału. Zwyczajowa odpowiedź jest taka, że każdy obwód obejmuje nie tylko konkretną diodę lub połączenie, ale także wszystkie potencjały kontaktowe z powodu okablowania i tak dalej wokół całego obwodu. Suma wszystkich potencjałów kontaktowych wynosi zero, a więc można je zignorować w prawie Kirchhoffa.
Ogniwo słoneczneEdit
Działanie ogniwa słonecznego można zrozumieć na podstawie obwodu zastępczego po prawej stronie. Światło, o wystarczającej energii (większej niż szerokość pasma materiału), tworzy ruchliwe pary elektron-dziura w półprzewodniku. Separacja ładunków zachodzi dzięki istniejącemu wcześniej polu elektrycznemu związanemu ze złączem p-n w równowadze termicznej. (To pole elektryczne jest tworzone przez potencjał wbudowany, który powstaje z potencjału kontaktowego pomiędzy dwoma różnymi materiałami w złączu). Separacja ładunków pomiędzy dodatnimi dziurami i ujemnymi elektronami w złączu p-n (dioda) wytwarza napięcie wejściowe, fotonapięcie, pomiędzy oświetlonymi zaciskami diody, które napędza prąd przez podłączone obciążenie. Fotonapięcie jest czasami określane jako fotoemf, co pozwala odróżnić skutek od przyczyny.
Prąd dostępny dla obwodu zewnętrznego jest ograniczony stratami wewnętrznymi I0=ISH + ID:
I = I L – I 0 = I L – I S H – I D {{displaystyle I=I_{L}-I_{0}=I_{L}-I_{SH}-I_{D}}}
Straty ograniczają prąd dostępny dla obwodu zewnętrznego. Wywołana światłem separacja ładunków ostatecznie tworzy prąd (zwany prądem forward) ISH przez złącze ogniwa w kierunku przeciwnym do tego, w którym światło napędza prąd. Dodatkowo, indukowane napięcie ma tendencję do przewodzenia prądu przez złącze. Przy odpowiednio wysokich poziomach, to przesunięcie złącza w przód spowoduje powstanie w diodzie prądu przesunięcia w przód ID, przeciwnego do tego, który jest indukowany przez światło. W związku z tym, największy prąd uzyskuje się w warunkach zwarcia i jest on oznaczany jako IL (dla prądu indukowanego światłem) w obwodzie równoważnym.W przybliżeniu, ten sam prąd uzyskuje się dla napięć forward aż do punktu, w którym przewodzenie diody staje się znaczące.
Prąd dostarczany przez oświetloną diodę, do obwodu zewnętrznego wynosi:
I = I L – I 0 ( e q V / ( m k T ) – 1 ) , { {displaystyle I=I_{L}-I_{0}}left(e^{qV/(mkT)} – 1) ,}
gdzie I0 jest prądem nasycenia wstecznego. Gdzie dwa parametry, które zależą od konstrukcji ogniwa słonecznego i w pewnym stopniu od samego napięcia, to m, współczynnik idealności, oraz kT/q napięcie termiczne (około 0,026 V w temperaturze pokojowej). Zależność ta jest przedstawiona na rysunku przy założeniu stałej wartości m = 2. W warunkach obwodu otwartego (to jest, gdy I = 0), napięcie obwodu otwartego jest to napięcie, przy którym bias forward złącza jest wystarczający, aby prąd forward całkowicie zrównoważył fotoprąd. Rozwiązując powyższe równanie dla napięcia V i oznaczając je jako napięcie obwodu otwartego, otrzymujemy równanie I-V jako:
V oc = m k T q ln ( I L I 0 + 1 ) , { {displaystyle V_{text{oc}}=m {{frac {kT}{q}}}}{I_{0}}}+1}prawa)} ,}
co jest użyteczne w wskazywaniu logarytmicznej zależności Voc od prądu indukowanego światłem. Typowo, napięcie obwodu otwartego nie jest większe niż około 0,5 V.
Podczas wysterowania obciążenia, fotonapięcie jest zmienne. Jak pokazano na rysunku, dla rezystancji obciążenia RL, ogniwo wytwarza napięcie, które znajduje się pomiędzy wartością zwarcia V = 0, I = IL i wartością obwodu otwartego Voc, I = 0, wartością daną prawem Ohma V = I RL, gdzie prąd I jest różnicą pomiędzy prądem zwarcia i prądem spowodowanym biasem do przodu złącza, jak wskazuje obwód zastępczy (zaniedbując rezystancje pasożytnicze).
W przeciwieństwie do akumulatora, przy poziomach prądu dostarczanego do obwodu zewnętrznego bliskich IL, ogniwo słoneczne działa bardziej jak generator prądu niż generator napięcia (blisko pionowej części dwóch zilustrowanych krzywych). Pobierany prąd jest prawie stały w zakresie napięć obciążenia, do jednego elektronu na przekształcony foton. Wydajność kwantowa, czyli prawdopodobieństwo uzyskania elektronu z fotoprądu na jeden padający foton, zależy nie tylko od samego ogniwa słonecznego, ale od widma światła.
.