Die elektromotorische Kraft (EMF) ist für die meisten Menschen ein unbekanntes Konzept, aber es ist eng mit dem bekannteren Konzept der Spannung verbunden. Wenn Sie den Unterschied zwischen den beiden verstehen und was EMF bedeutet, erhalten Sie die Werkzeuge, die Sie benötigen, um viele zu lösen Probleme in Physik und Elektronik und führt das Konzept des Innenwiderstands einer Batterie ein. EMF gibt die Spannung der Batterie an, ohne dass der Innenwiderstand den Wert verringert, wie dies bei normalen Potenzialdifferenzmessungen der Fall ist. Sie können es auf verschiedene Weise berechnen, je nachdem, welche Informationen Sie haben.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Berechnen Sie die EMF mit der Formel:
= V + Ir
Dabei bedeutet (V) die Spannung der Zelle, (I) den Strom im Stromkreis und (r) den Innenwiderstand der Zelle.
Was ist EMF?
Die elektromotorische Kraft ist die Potentialdifferenz (d. h. Spannung) an den Polen der Batterie, wenn kein Strom fließt. Dies mag nicht so aussehen, als würde es einen Unterschied machen, aber jede Batterie hat einen „Innenwiderstand“. Das ist wie der gewöhnliche Widerstand, der den Strom in einem Stromkreis reduziert, aber er existiert innerhalb der Batterie selbst. Dies liegt daran, dass die Materialien, aus denen die Zellen in der Batterie bestehen, ihren eigenen Widerstand haben (da im Wesentlichen alle Materialien dies tun).
Wenn kein Strom durch die Zelle fließt, ändert sich an diesem Innenwiderstand nichts, da kein Strom zum Verlangsamen vorhanden ist. In gewisser Weise kann man sich die EMF als die maximale Potenzialdifferenz zwischen den Klemmen in einer idealisierten Situation vorstellen, und sie ist in der Praxis immer größer als die Spannung der Batterie.
Gleichungen zur Berechnung von EMF
Es gibt zwei Hauptgleichungen zur Berechnung der EMF. Die grundlegendste Definition ist die Anzahl der Joule Energie (E), die jedes Coulomb Ladung (Q) aufnimmt, wenn es durch die Zelle geht:
Dabei ist (ε) das Symbol für die elektromotorische Kraft, (E) ist die Energie im Stromkreis und (Q) ist die Ladung des Stromkreises. Wenn Sie die resultierende Energie und die durch die Zelle fließende Ladungsmenge kennen, ist dies der einfachste Weg, um die EMF zu berechnen, aber in den meisten Fällen haben Sie diese Informationen nicht.
Stattdessen können Sie die Definition eher wie das Ohmsche Gesetz (V = IR) verwenden. Dies kann ausgedrückt werden als:
\epsilon =I(R+r)
Dabei bedeutet (I) Strom, (R) den Widerstand des fraglichen Stromkreises und (r) den Innenwiderstand der Zelle. Wenn man dies erweitert, zeigt sich die enge Verbindung mit dem Ohmschen Gesetz:
\epsilon =IR+Ir=V+Ir
Dies zeigt, dass Sie die EMF berechnen können, wenn Sie die Spannung an den Klemmen (die Spannung, die in realen Situationen verwendet wird), den fließenden Strom und den Innenwiderstand der Zelle kennen.
Wie man EMF berechnet: Ein Beispiel
Stellen Sie sich als Beispiel einen Stromkreis mit einer Potenzialdifferenz von 3,2 V vor, bei dem ein Strom von 0,6 A fließt und der Innenwiderstand der Batterie 0,5 Ohm beträgt. Mit der obigen Formel:
\epsilon =V+Ir = 3.2\text{ V}+(0.6\text{ A})(0.5\text{ }\Omega)=3.5\text{ V}
Die EMF dieser Schaltung beträgt also 3,5 V.