แรงเคลื่อนไฟฟ้า

ระวังสับสนกับ แรงดันไฟฟ้า

แรงเคลื่อนไฟฟ้า (อังกฤษ: electromotive force หรือย่อว่า emf สัญลักษณ์ ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ และมีค่าเป็นโวลต์) เป็นแรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นมาจากแหล่งที่มาของพลังงานไฟฟ้าใด ๆ เช่นแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยทั่วไปมันจะถูกกำหนดให้เป็นศักย์ไฟฟ้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟในวงจร อุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าจะถูกเรียกว่าแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้า (อังกฤษ: bed of emf) หรือ emf. Emf จะแปลงพลังงานเคมี, พลังงานเครื่องกล, และพลังงานรูปแบบอื่นให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ผลผลิตของอุปกรณ์ดังกล่าวก็ยังถูกเรียกว่า emf อีกด้วย

คำว่า "แรง" ในกรณีนี้ไม่ได้ใช้เพื่อหมายถึงแรงในเชิงกลที่มีหน่วยเป็นนิวตัน แต่เป็นศักย์หรือพลังงานต่อหน่วยประจุ มีหน่วยเป็นโวลต์

ในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า EMF สามารถถูกกำหนดรอบ ๆ วงรอบปิดวงหนึ่งว่าเป็นงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำบนประจุตัวหนึ่งถ้ามันเดินทางรอบวงนั้นหนึ่งรอบ (ในขณะที่ประจุเดินทางรอบวงลูป มันก็สามารถสูญเสียพลังงานไปพร้อมกันพลังงานที่ได้รับมาผ่านความต้านทานกลายเป็นพลังงานความร้อน) สำหรับสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาที่มีการเชื่อมโยงอยู่กับลูป สนามศักย์ไฟฟ้​​าที่มีหน่วยเป็นสเกลาร์จะยังไม่ถูกกำหนดเนื่องจากสนามไฟฟ้าแบบเวกเตอร์ยังคงไหลเวียน แต่อย่างไรก็ตาม EMF ก็ทำงานแล้วและสามารถวัดได้เป็นศักย์ไฟฟ้าเสมือนรอบลูปนั้น

ในกรณีของอุปกรณ์สองขั้ว (เช่นแบตเตอรีไฟฟ้าเคมีหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งถูกจำลองเป็นวงจรสมมูลของ Thévenin EMF ที่เทียบเท่าสามารถวัดได้เป็นความต่างศักย์แบบวงจรเปิดหรือแรงดันระหว่างขั้วทั้งสอง ความต่างศักย์นี้สามารถขับกระแสให้ไหลได้ถ้าขั้วไฟฟ้าทั้งสองถูกต่อเข้ากับวงจรภายนอก

อุปกรณ์ที่ให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะรวมถึงเซลล์ไฟฟ้าเคมี, อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กตริก, เซลล์แสงอาทิตย์, โฟโตไดโอด, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, หม้อแปลง, และแม้แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอแกรฟฟ์ ในธรรมชาติ EMF ถูกสร้างขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ความผันผวนของสนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้นผ่านพื้นผิว การเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กโลกในระหว่างพายุแม่เหล็กทำให้เกิดกระแสในกริดไฟฟ้​​าเมื่อเส้นสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ และตัดผ่านตัวนำ

ในกรณีที่เป็นแบตเตอรี่ การแยกตัวของประจุที่ก่อให้เกิดความต่างแรงดันระหว่างขั้วทั้งสองสามารถทำสำเร็จได้โดยปฏิกิริยาเคมีที่ขั้วไฟฟ้าที่จะแปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานศักย์แม่เหล็กไฟฟ้า เซลล์ไฟฟ้าอาจคิดว่าเป็นการมี "ปั๊มประจุ" ที่มีขนาดเท่าอะตอมที่แต่ละขั้วไฟฟ้า นั่นคือ

แหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าอาจจะคิดได้ว่าเป็นชนิดหนึ่งของปั้มประจุที่ทำหน้าที่ในการเคลื่อนย้ายประจุบวกจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำผ่านตัวมันเองไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า ... โดยวิธีการทางเคมี, ทางกลไกหรือทางอื่น ๆ แหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะทำงาน dW บนประจุนั้นเพื่อที่จะเคลื่อนย้ายประจุไปยังขั้วที่มีศักยภาพสูง แรงเคลื่อนไฟฟ้า ℰ ของแหล่งที่มาจะถูกกำหนดให้เป็นงาน dW ที่ทำบนประจุ dq ดังนั้น ℰ = dW/dq

ราวปี 1830 ไมเคิล ฟาราเดย์ระบุว่าปฏิกิริยาในแต่ละรอยต่อสองรอยต่อระหว่างขั้วไฟฟ้ากับสารอิเล็กโทรไลต์จะให้ "EMF" สำหรับเซลล์ไฟฟ้า นั่นคือ ปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นตัวขับเคลิ่อนกระแสและไม่ได้เป็นแหล่งที่มาของพลังงานที่ไม่มีที่สิ้นสุดอย่างที่ติดไว้แต่แรก ในกรณีของวงจรเปิด การแยกตัวของประจุจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งสนามไฟฟ้าจากประจุที่ถูกแยกตัวมีปริมาณเพียงพอที่จะหยุดปฏิกิริยา หลายปีก่อนหน้านี้ อาเลสซานโดร โวลตา ผู้ที่วัดความต่างศักย์ของจุดสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะ (ขั้วไฟฟ้ากับอิเล็กโทรด) ของเซลล์ของเขา เขาได้ให้ความคิดเห็นที่ไม่ถูกต้องที่ว่าจุดสัมผัสเพียงอย่างเดียว (โดยไม่คำนึงถึงปฏิกิริยาทางเคมี) เป็นต้นกำเนิดของ EMF

ในกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้าผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีผลในการสร้างความต่างแรงดันระหว่างขั้วทั้งสองของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การแยกตัวของประจุจะเกิดขึ้นภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนจะไหลออกไปจากขั้วไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกขั้วไฟฟ้าหนึ่ง จนกระทั่ง ในกรณีวงจรเปิด สนามไฟฟ้าที่พอเพียงจะสะสมขึ้นจนทำให้การแยกตัวของประจุดำเนินต่อไปไม่ได้ อีกครั้ง EMF จะเผชิญหน้ากับแรงดันไฟฟ้าอันเกิดจากการแยกประจุ ถ้ามีโหลดต่อเข้าไป แรงดันไฟฟ้านี้สามารถขับเคลื่อนกระแสได้ หลักการทั่วไปในการควบคุม EMF ในเครื่องจักรไฟฟ้าดังกล่าวเป็นกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

สัญลักษณ์และหน่วยการวัด

แรงเคลื่อนไฟฟ้ามักจะมีสัญญลักษณ์เป็น ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$  หรือ ℰ

ในอุปกรณ์ที่ไม่มีความต้านทานภายใน ถ้าประจุไฟฟ้า Q ไหลผ่านอุปกรณ์นั้นและได้รับพลังงาน W ค่า emf สุทธิสำหรับอุปกรณ์นั้นจะเป็นพลังงานที่ได้รับต่อหน่วยประจุหรือ W/Q. เช่นเดียวกับการวัดอื่น ๆ ของพลังงานต่อประจุ emf มีหน่วย SI เป็นโวลต์ที่เทียบเท่ากับจูลต่อคูลอมบ์

แรงเคลื่อนไฟฟ้าในหน่วยไฟฟ้าสถิตจะเป็น statvolt (ในเซนติเมตรกรัมระบบที่สองของหน่วยที่เท่ากับจำนวนเอิร์กต่อหน่วยประจุไฟฟ้าสถิต)

คำจำกัดความอย่างเป็นทางการของแรงเคลื่อนไฟฟ้​​า

ภายในแหล่งจ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบวงจรเปิด สนามไฟฟ้าสถิตแบบอนุรักษ์นิยมที่สร้างขึ้นโดยการแยกของประจุจะหักล้างแรงทั้งหลายที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้ามีค่าเท่ากัน แต่มีเครื่องหมายตรงข้ามเมื่อผลรวม (อังกฤษ: integral) ของสนามไฟฟ้าอยู่ในแนวเดียวกันกับเส้นทางภายในระหว่างสองขั้ว A และ B ของแหล่งจ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้าในสภาพวงจรเปิด (เส้นทางจะนำจากขั้วลบไปยังขั้วบวกเพื่อที่จะให้ EMF ออกมาเป็นบวก ซึ่งจะแสดงให้เห็นงานที่กระทำบนอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ในวงจร) สูตรทางคณิตศาสตร์จะเป็นดังนี้:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-\int _{A}^{B}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {cs} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$ 

เมื่อ E_cs เป็นสนามไฟฟ้าสถิตแบบอนุรักษ์นิยมที่ถูกสร้างขึ้นโดยการแยกประจุที่เกี่ยวข้องกับแรงเคลื่อนไฟฟ้า, dℓ เป็นองค์ประกอบของเส้นทางจากขั้ว A ไปยังขั้ว B, และ ‘·’ หมายถึงผลคูณจุด (อังกฤษ: dot product) (ค่าจริง (ค่าสเกลล่าร์) ที่เป็นผลคูณของค่าเวกเตอร์สองตัว) สมการนี้​​้ใช้เฉพาะกับตำแหน่ง A และตำแหน่ง B เท่านั้นที่เป็นขั้วไฟฟ้า และไม่ได้นำไปใช้กับเส้นทางระหว่างจุด A และจุด B ที่มีบางส่วนด้านนอกของแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้า สมการนี้​​้เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้าที่เป็นไฟฟ้าสถิตที่เกิดเนื่องจากการแยกประจุ E_cs และไม่เกี่ยวข้องกับ (ตัวอย่างเช่น) ส่วนประกอบใด ๆ ของสนามไฟฟ้าที่ไม่ใช่แบบอนุรักษ์นิยมอันเกิดเนื่องจากกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

ในกรณีที่เส้นทางถูกปิดเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลา อินทีกรัลของสนามไฟฟ้ารอบวงลูปปิดอาจไม่เป็นศูนย์; การใช้งานทั่วไปชนิดที่ใช้แนวคิดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เรียกว่า "แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ" คือแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในวงลูปดังกล่าว "แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ" รอบเส้นทางปิดอยู่กับที่ C จะเป็น:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$ 

เมื่อ E ในตอนนี้เป็นสนามไฟฟ้าโดยรวมทั้งหมดทั้งแบบอนุรักษ์และไม่อนุรักษ์ และอินทีกรัลจะอยู่รอบ ๆ โค้งปิด C ที่ไม่มีกฎเกณฑ์และอยู่กับที่โดยมีสนามแม่เหล็กที่แปรเปลี่ยนไหลผ่านโค้งปิด C นั้น สนามไฟฟ้าสถิตไม่ได้ช่วยอุดหนุนกับ EMF สุทธิที่ปรากฏรอบวงจรนั้นเพราะส่วนของไฟฟ้าสถิตของสนามไฟฟ้าเป็นแบบอนุรักษ์ (นั่นคืองานที่กระทำต้านกับสนามที่อยู่รอบ ๆ เส้นทางปิดมีค่าเป็นศูนย์)

นิยามนี้สามารถขยายไปยังแหล่งที่มาแบบไร้กฎเกณฑ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าและเส้นทางการเคลื่อนที่ C:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$ 

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {\mathbf {effective\ chemical\ forces\ } \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ }$ 

${\displaystyle +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {\mathbf {effective\ thermal\ forces\ } \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$ 

ซึ่งเป็นสมการแบบแนวคิดเป็นส่วนใหญ่ เพราะการกำหนด "แรงที่มีประสิทธิภาพ" มีความยากลำบาก

แรงเคลื่อนไฟฟ้าในอุณหพลศาสตร์

เมื่อคูณด้วยปริมาณของประจุ dQ แรงเคลื่อนไฟฟ้า ℰ จะให้ผลตอบแทนเป็นงานด้านอุณหพลศาสตร์ชิ้นหนึ่งมีค่าเป็น ℰdQ ที่ถูกงานแบบเป็นทางการสำหรับการเปลี่ยนแปลงพลังงานกิ๊บส์เมื่อประจุไหลผ่านในแบตเตอรี่:

${\displaystyle dG=-SdT+VdP+{\mathcal {E}}dQ\ ,}$ 

เมื่อ G เป็นพลังงานอิสระของกิ๊บส์, S เป็นเอนโทรปี, V เป็นปริมาตรของระบบ, P เป็นความดันของมันและ T เป็นอุณหภูมิสัมบูรณ์ของมัน

การรวมกันของ ℰ และ Q เป็นตัวอย่างหนึ่งของการจับตัวกันเป็นคู่ของตัวแปร (อังกฤษ: conjugate pair of variables) แบบหนึ่ง ที่ความดันคงที่ความสัมพันธ์ข้างต้นจะสร้างความสัมพันธ์แมกซ์เวลที่เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงในแรงดันไฟฟ้าเซลล์เปิดที่มีอุณหภูมิ T (ปริมาณที่วัดได้) ให้เป็นการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปี S เมื่อประจุผ่านจุด isothermal และ isobaric จุดไอโซแบริกจะเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปฏิกิริยาเอนโทรปีของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่สร้างพลังงานให้กับแบตเตอรี่ ความสัมพันธ์แมกซ์เวลนี้คือ:

${\displaystyle \left({\frac {\partial {\mathcal {E}}}{\partial T}}\right)_{Q}=-\left({\frac {\partial S}{\partial Q}}\right)_{T}}$ 

ถ้าหนึ่งโมลของไอออนกลายเป็นสารละลาย (เช่นในเซลล์ Daniell ตามที่กล่าวไว้ด้านล่าง) ประจุที่ไหลผ่านวงจรภายนอกจะเป็น

${\displaystyle \Delta Q=-n_{0}F_{0}\ ,}$ 

เมื่อ n₀ เป็นจำนวนของอิเล็กตรอน/ไอออน และ F₀ เป็นค่าคงที่ฟาราเดย์และเครื่องหมายลบแสดงการปล่อยประจุของเซลล์ เมื่อกำหนดให้ความดันและปริมาณมีค่าคงที่ คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของเซลล์เกี่ยวข้องอย่างเคร่งครัดกับพฤฒิกรรมของ EMF ของมันโดย:

${\displaystyle \Delta H=-n_{0}F_{0}\left({\mathcal {E}}-T{\frac {d{\mathcal {E}}}{dT}}\right)\ ,}$ 

เมื่อ ΔH เป็นเอนทัลปีของปฏิกิริยา ปริมาณทางด้านขวาทั้งหมดสามารถวัดได้โดยตรง

แรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต่างแรงดัน

ความต่างแรงดันไฟฟ้าบางครั้งถูกเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า หลายจุดด้านล่างจะแสดงให้เห็นถึงการนำไปใช้อย่างเป็นทางการมากขึ้น ในแง่ของความแตกต่างกันระหว่าง EMF และแรงดันไฟฟ้า มันสร้าง:

1. สำหรับวงจรสมบูรณ์ เช่นในวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานต่อแบบอนุกรมกับเซลล์ไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมจะไม่เสริมกับ EMF ทำให้ความต่างแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นรอบ ๆ วงจรมีค่าเป็นศูนย์ (ในแรงดันไฟฟ้า IR ตามกฎของโอห์ม จะตกคร่อมบวกกับแรงดันไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปมีค่าผลรวมเป็นศูนย์ ดูกฎวงจรของ Kirchhoff) แรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดจากสารเคมีในแบตเตอรี่แต่เพียงอย่างเดียว สารเคมีเป็นสาเหตุของการแยกประจุ ซึ่งเป็นผลให้มีการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนกระแส
2. สำหรับวงจรที่ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนกระแสผ่านตัวต้านทาน EMF จะเกิดจากสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่เพียงอย่างเดียว (IR ตามกฎของโอห์มจะตกคร่อมบวกกับแรงดันไฟฟ้าที่เกิดมีผลรวมเป็นศูนย์อีกครั้ง ดูกฎวงจรของ Kirchhoff))
3. หม้อแปลงที่เชื่อมสองวงจรเข้าด้วยกันอาจจะถือได้ว่าหม้อแปลงนั้นเป็นแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าสำหรับหนึ่งในสองวงจรนั้น เหมือนกับว่ามันทำตัวเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวหนึ่ง ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงต้นกำเนิดของคำว่า "แรงดันไฟฟ้าหม้อแปลง"
4. โฟโตไดโอดหรือเซลล์แสงอาทิตย์ตัวหนึ่งอาจจะถือได้ว่าเป็นแหล่งที่มาของแรงเคลื่อนไฟฟ้าตัวหนึ่งที่คล้ายกับแบตเตอรี่ การแยกประจุจะเกิดจากแสงแทนที่จะเป็นปฏิกิริยาทางเคมี เป็นผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้า
5. อุปกรณ์อื่น ๆ ที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าก็คือเซลล์เชื้อเพลิง, คู่ควบความร้อนและthermopile

ในกรณีของวงจรเปิด ประจุไฟฟ้าที่ได้ถูกแยกออกจากกันโดยกลไกการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้าที่ขัดขวางกลไกการแยก ยกตัวอย่างเช่นปฏิกิริยาทางเคมีในเซลล์ไฟฟ้าจะหยุดเมื่อสนามไฟฟ้าที่ขัดขวางสนามไฟฟ้าที่แต่ละขั้วไฟฟ้ามีความแข็งแรงมากพอที่จะหยุดปฏิกิริยา สนามขัดขวางที่มีขนาดใหญ่กว่าสามารถย้อนกลับปฏิกิริยาในสิ่งที่เรียกว่าเซลล์พลิกกลับ(อังกฤษ: reversible cell)

ประจุไฟฟ้าที่ได้ถูกแยกออกจะสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สามารถวัดได้ด้วยโวลต์มิเตอร์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองของอุปกรณ์ ขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ (หรือแหล่งที่มาอื่น) เป็นค่าของแรงดันไฟฟ้า'วงจรเปิด'นี้ เมื่อแบตเตอรี่กำลังชาร์จหรือกำลังดีสชาร์จ ตัว EMF เองไม่สามารถถูกวัดได้โดยตรงโดยใช้แรงดันภายนอกเพราะแรงดันไฟฟ้าบางส่วนจะหายไปภายในแหล่งที่มา อย่างไรก็ตามมันสามารถจะอนุมานจากการวัดกระแส I และความต่างแรงดันไฟฟ้า V ในเงื่อนไขที่ความต้านทานภายใน r ได้มีการวัดเรียบร้อยแล้ว ดังนี้น

ℰ = V + Ir.

การผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า

แหล่งที่มาจากสารเคมี

ดูบทความหลักที่: เซลล์ไฟฟ้าเคมี

 

เส้นทางปฏิกิริยาโดยทั่วไปต้องใช้สารปฏิกิริยาในช่วงเริ่มต้นเพื่อที่จะข้ามอุปสรรคพลังงาน เข้าสู่สถานะช่วงกลางและในที่สุดก็เกิดขึ้นในรูปแบบของพลังงานที่ต่ำกว่า ถ้าการแยกประจุเข้ามาเกี่ยวข้อง เป็นภาระที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างของพลังงานนี้สามารถทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ดู Bergmann et al. และการเปลี่ยนสถานะ

 

เซลล์กัลวานิกโดยใช้สะพานเกลือ

คำถามที่ว่าแบตเตอรี่ (เซลล์กัลวานิก) สามารถสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าได้อย่างไรเป็นคำถามหนึ่งที่ครอบงำนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในช่วงศตวรรษที่ 19 "แปลงของแรงเคลื่อนไฟฟ้​​า" ในที่สุดก็ถูกกำหนดโดยนายวอลเธอร์ เนินส์ ให้เป็นเบื้องแรกที่จะสัมผัสกันระหว่างขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์

โมเลกุลคือกลุ่มของอะตอมที่ยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะทางเคมี และพันธเหล่านี้จะประกอบด้วยแรงไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอน (ลบ) กับโปรตอน (บวก) โมเลกุลที่อยู่แยกกันเป็นตัวตนที่ถาวร แต่เมื่อโมเลกุลที่ต่างกันถูกนำเข้ามารวมกัน บางชนิดของโมเลกุลสามารถที่จะขโมยอิเล็กตรอนจากโมเลกุลอื่น เป็นผลให้เกิดการแยกประจุ การกระจายเหล่านี้ของประจุจะเกิดขึ้นใหม่พร้อมกันกับการเปลี่ยนแปลงในพลังงานของระบบ และโครงสร้างของอะตอมในโมเลกุล การได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มจะถูกเรียกว่า "รีดักชัน" (reduction) และการสูญเสียอิเล็กตรอนไปจะถูกเรียกว่า "ออกซิเดชัน" ปฏิกิริยาที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนดังกล่าว (ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับแบตเตอรี่) จะเรียกว่าปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชันหรือปฏิกิริยารีดอกซ์ ในแบตเตอรี่ ขั้วหนึ่งจะประกอบด้วยวัสดุที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มจากตัวละลายและอีกชั้วหนึ่งจะเสียอิเล็กตรอนอันเนื่องมาจากแอตทริบิวต์พื้นฐานของโมเลกุลเหล่านี้ พฤติกรรมที่เหมือนกันจะสามารถเห็นได้ในตัวอะตอมมันเองและความสามารถของพวกมันในการขโมยอิเล็กตรอนจะถูกเรียกว่าเป็น electronegativity ของพวกมัน

ตัวอย่างเช่นเซลล์แดนีลล์ ประกอบด้วยขั้วลบ (อังกฤษ: anode) ที่ทำจากสังกะสี (ตัวสะสมอิเล็กตรอน) มันถูกออกซิไดซ์เมื่อมันละลายลงในสารละลายสังกะสีซัลเฟต สังกะสีที่ละลายจะทิ้งอิเล็กตรอนของมันไว้ข้างหลังติดอยู่ในขั้วตามปฏิกิริยาออกซิเดชัน (s = อิเล็กโทรดที่เป็นของแข็ง; aq = สารละลายน้ำ) ดังนั้น: Zinc solid = Zinc solution Cation + 2 electrons ตามสมการ

${\displaystyle \mathrm {Zn_{(s)}\rightarrow Zn_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\ } }$ 

ในส่วนที่เป็นครึ่งเซลล์นั้น สังกะสีซัลเฟตเป็นอิเล็กโทรไลต์ มันเป็นสารละลายที่มีสังกะสีไอออนประจุบวก (อังกฤษ: zinc cation) ${\displaystyle \mathrm {Zn} _{}^{2+}}$  และซัลเฟตไอออนประจุลบ (อังกฤษ: sulfate anion) ${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}\ }$  ที่มีผลรวมของประจุเป็นศูนย์

ในอีกครึ่งเซลล์ มีทองแดงซัลเฟตเป็นอิเล็กโทรไลต์ ทองแดงไอออนประจุบวกในอิเล็กโทรไลต์จะถูกดึงเข้าหาขั้วทองแดงที่พวกมันจะแนบตัวเองเข้ากับขั้วนี้เนื่องจากพวกมันได้รับอิเล็กตรอนจากขั้วทองแดงจากปฏิกิริยารีดักชันดังนี้:

${\displaystyle \mathrm {Cu_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu_{(s)}\ } }$ 

เป็นผลให้เกิดการขาดทุนอิเล็กตรอนในทองแดงที่เป็นขั้วบวก (อังกฤษ: cathode) ความแตกต่างของอิเล็กตรอนส่วนเกินในขั้วลบและการขาดดุลของอิเล็กตรอนในขั้วบวกสร้างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองขั้วไฟฟ้า (การอภิปรายในรายละเอียดของกระบวนการของการถ่ายโอนแบบจุลภาคของอิเล็กตรอนระหว่างขั้วไฟฟ้าและไอออนในอิเล็กโทรไลต์ในปีอาจพบได้ในคอนเวย์)

หากขั้วลบและขั้วบวกถูกเชื่อมต่อด้วยตัวนำภายนอก อิเล็กตรอนจะไหลออกจากขั้วลบผ่านวงจรภายนอก (หลอดไฟในรูป) ในขณะที่ไอออนทั้งหลายจะผ่านสะพานเกลือเพื่อรักษาสมดุลของประจุจนถึงเวลาที่ขั้วบวกและขั้วลบถึงจุดสมดุลไฟฟ้าที่มีแรงดันเป็นศูนย์และสมดุลเคมีเกิดขึ้นในเซลล์ ในกระบวนการนี้ขั้วลบสังกะสีจะละลายในขณะที่ขั้วไฟฟ้าทองแดงจะพอกพูนด้วยทองแดง สิ่งที่เรียกว่า "เกลือสะพาน" ไม่ได้ทำด้วยเกลือแต่อาจจะทำจากวัสดุที่สามารถดูดซับเหมือนไส้ตะเกียงไอออนบวกและไอออนลบ (เกลือ) ในสารละลาย โดยที่การไหลของไอออนประจุบวกจะไหลไปตาม "สะพาน" เป็นจำนวนเทียบเท่ากับประจุลบที่ไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม

ถ้าหลอดไฟจะถูกถอดออกไป (วงจรเปิด) แรงเคลื่อนไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าจะถูกต่อต้านจากสนามไฟฟ้าที่เกิดเนื่องจากการแยกประจุ และปฏิกิริยาทั้งหลายก็จะหยุด

สำหรับปฏิกิริยาเคมีโดยเฉพาะของเซลล์นี้ ที่ 298 K (อุณหภูมิห้อง) แรงเคลื่อนไฟฟ้า ℰ = 1.0934 V ด้วยค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ dℰ/dT = -4.53×10^-4 V/K

เซลล์โวลตา

นายแอเลสซานโดร โวลตา ได้พัฒนาเซลล์ไฟฟ้าราวปี 1792 และนำเสนอผลงานของเขาเมื่อวันที่ 20 มีนาคม 1800 โวลตาชี้ชัดอย่างถูกต้องในบทบ​​าทของขั้วไฟฟ้าที่แตกต่างกันในการผลิตแรงดันไฟฟ้า แต่ละเลยอย่างไม่ถูกต้องในบทบาทใด ๆ สำหรับอิเล็กโทรไลต์ โวลตาได้เรียงลำดับโลหะใน 'แถวแรงดัน' "นั่นคือกล่าวได้ว่าตัวหนึ่งตัวใดในรายการจะกลายเป็นบวกเมื่อติดต่อกับตัวใดตัวหนึ่งที่อยู่ข้างหน้า แต่จะเป็นลบเมื่อติดต่อกับตัวที่อยู่ข้างหลัง" สัญลักษณ์โดยทั่วไปในภาพแสดงของวงจรนี้ ( –||– ) จะมีขีดยาว 1 เส้นและขีดสั้น 1 เส้นเพื่อระบุถึงขีดยาวเหนือกว่า กฎของโวลตาเกี่ยวกับขั้วแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต่อต้านหมายถึงว่า สมมติว่ามีขั้วไฟฟ้าสิบขั้ว (สังกะสีหนึ่งขั้วและวัสดุอื่น ๆ เก้าขั้วเป็นตัวอย่าง) จะสามารถสร้างเซลล์โวตาอิกได้ 45 แบบ (10×9/2)

แรงเคลื่อนไฟฟ้​​าของเซลล์

แรงเคลื่อนไฟฟ้​​าที่ผลิตโดยเซลล์ปฐมภูมิ (แบบใช้ครั้งเดียว) และทุติยภูมิ (แบบชาร์จไฟได้) มักจะมีขนาดไม่กี่โวลต์ ตัวเลขที่แสดงด้านล่างจะเป็นโดยประมาณ เพราะ EMF จะแปรไปตามขนาดของโหลดและสถานะของความอ่อนล้าของเซลล์

แรงเคลื่อนไฟฟ้​​า	สารเคมีในเซลล์			ชื่อสามัญ
	ขั้วลบ	สารละลาย, อิเล็กโทรไลต์	ขั้วบวก
1.2 V	แคดเมียม	น้ำ, โปแตสเซียมไฮดรอกไซด์	NiO(OH)	นิเกิลแคดเมียม
1.2 V	โลหะผสมหายาก (ใช้ดูดซับไฮโดรเจน)	น้ำ, โปแตสเซียมไฮดรอกไซด์	นิเกิล	นิเกิลเมททัลไฮดรายด์
1.5 V	สังกะสี	น้ำ, แอมโมเนียมหรือสังกะสีคลอไรด์	คาร์บอน, แมงกานีสไดอ๊อกไซด์	สังกะสีคาร์บอน
2.1 V	ตะกั่ว	น้ำ, กรดซัลฟิวริก	ตะกั่วไดอ๊อกไซด์	ตะกั่วกรด
3.6 V ถึง 3.7 V	แกรไฟท์	สารละลายอินทรีย์, เกลือลิเทียม	LiCoO2	ลิเทียมไอออน
1.35 V	สังกะสี	น้ำ, โซเดียมหรือโปแตสเซียมไฮดรอกไซด์	HgO	เซลล์ปรอท

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

บทความหลัก: กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ หลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ากล่าวว่าสนามแม่เหล็กที่ขึ้นกับเวลาจะผลิตสนามไฟฟ้าหมุนเวียน สนามแม่เหล็กที่ขึ้นกับเวลาสามารถผลิตขึ้นได้โดยการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กให้สัมพันธ์กับวงจรหนึ่ง หรือโดยการเคลื่อนที่ของวงจรหนึ่งที่สัมพันธ์กับอีกวงจรหนึ่ง (อย่างน้อยหนึ่งในวงจรเหล่านี้จะต้องมีกระแสไหล) หรือโดยการเปลี่ยนแปลงกระแสในวงจรคงที่ ผลกระทบต่อตัววงจรเองที่มีการเปลี่ยนแปลงกระแสเรียกว่าการเหนี่ยวนำตัวเอง; ผลกระทบกับวงจรอื่นเรียกว่าการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน

สำหรับวงจรหนึ่งที่กำหนดให้ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกกำหนดอย่างเดียวโดยอัตราการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่พาดผ่านวงจรตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

EMF จะถูกเหนี่ยวนำในขดลวดหรือตัวนำเมื่อใดก็ตามที่มีการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กที่เชื่อมโยงอยู่ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการที่เกิดการเปลี่ยนแปลงนั้น มีสองชนิด: 1. เมื่อตัวนำเคลื่อนที่ไปในสนามแม่เหล็กที่อยู่กับที่เพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็ก แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำแบบไฟฟ้าสถิตย์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากการเคลื่อนไหวมักจะถูกเรียกว่า EMF เคลื่อนไหว เมื่อการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบ ๆ ตัวนำอยู่กับที่ แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำแบบไดนามิก แรงเคลื่อนไฟฟ้​​าที่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาจะเรียกว่า EMF หม้อแปลง

ศักย์สัมผัส

ดูเพิ่มเติม: ศักย์โวลตาและศักย์ไฟฟ้าเคมี

เมื่อของแข็งของวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกันสัมผัสกัน สมดุลทางอุณหพลศาสตร์จะเกิดขึ้นได้เมื่อหนึ่งในของแข็งนั้นมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าอีกตัวหนึ่ง ศักย์ไฟฟ้านี้เรียกว่าศักย์สัมผัส โลหะที่ไม่เหมือนกันเมื่อสัมผัสกันจะผลิตสิ่งที่เป็นเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่จุดสัมผัส หรือศักย์ของกัลวานี ขนาดของความต่างศักย์นี้มักจะถูกพูดถึงเป็นความแตกต่างของระดับเฟอมิ (อังกฤษ: Fermi Level) ในสองของแข็งเมื่อพวกมันอยู่ในสภาวะเป็นกลางในประจุ ซึ่งเป็นจุดที่ระดับเฟอมิ (ชื่อสำหรับศักย์ทางเคมีของระบบอิเล็กตรอนระบบหนึ่ง) จะอธิบายถึงพลังงานที่จำเป็นในการย้ายอิเล็กตรอนออกจากร่างกายไปยังบางจุดที่ใช้ร่วมกัน (เช่นกราวด์) ถ้ามีข้อได้เปรียบทางพลังงานในการนำอิเล็กตรอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่ง การโอนเช่นนั้นก็จะเกิดขึ้น การโอนทำให้เกิดการแยกประจุ ที่ร่างกายหนึ่งจะได้รับอิเล็กตรอนและอีกร่างกายหนึ่งสูญเสียอิเล็กตรอน การถ่ายโอนประจุนี้ทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างร่างกายทั้งสอง ซึ่งบางส่วนหักล้างศักย์ที่มีต้นกำเนิดจากหน้าสัมผัส และก็ถึงจุดสมดุลในที่สุด ที่จุดสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ระดับเฟอมิทั้งหมดจะมีค่าเท่ากัน (พลังงานในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนจะเท่ากัน) และในขณะนี้จะมีศักย์ไฟฟ้าสถิตฝังในตัวระหว่างร่างกายทั้งสอง ความแตกต่างในระดับเฟอมิทั้งหลายที่มีอยู่แต่เดิมก่อนสัมผัสจะเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า ศักย์สัมผัสไม่สามารถขับเคลื่อนกระแสให้ไหลได้อย่างต่อเนื่องผ่านโหลดที่ต่ออยู่ขั้วของมันเพราะกระแสนั้นจะเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุ ไม่มีกลไกใดที่จะทำให้การถ่ายโอนดังกล่าวดำเนินการต่อไปได้ และดังนั้นก็ไม่สามารถรักษาระดับของกระแสต่อไปได้ เมื่อบรรลุความสมดุลแล้ว

อาจมีบางคนถามว่าทำไมศักย์สัมผัสไม่ปรากฏในกฎของแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ที่เป็นตัวช่วยหนึ่งให้กับผลรวมของศักย์ไฟฟ้าตกคร่อม คำตอบตามประเพณีก็คือวงจรใด ๆ จะเกี่ยวข้องกับไม่เพียงแต่ไดโอดหรือจังชันบางชนิดเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับศักย์สัมผัสทั้งหมดที่เกิดเนื่องจากการเดินสายไฟและศักย์อื่นรอบ ๆ วงจรทั้งหมดอีกด้วย ผลรวมของศักย์สัมผัส ทั้งหมด จะเป็นศูนย์ ดังนั้นพวกมันอาจถูกละเว้นในกฎของเคอร์ชอฟฟ์

เซลล์แสงอาทิตย์

บทความหลัก: ทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์

 

วงจรเทียบเท่าของเซลล์แสงอาทิตย์; ความต้านทานกาฝากทุกตัวจะไม่ถูกพูดถึงในบทความ

 

แรงดันไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์เป็นหน้าที่หนึ่งของกระแสเซลล์แสงอาทิตย์ที่ถูกส่งไปยังโหลดสำหรับสองกระแสที่เกิดจากแสง I_L กระแสทั้งสองเป็นอัตราส่วนกับกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ I₀ โปรดเทียบกับรูป 1.4 ในเนลสัน

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์สามารถเข้าใจได้จากวงจรเทียบเท่าทางขวา แสงที่มีพลังงานเพียงพอ (มากกว่า bandgap ของวัสดุ) จะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เคลื่อนที่ได้ในสารกึ่งตัวนำ การแยกประจุจะเกิดขึ้นเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่มีอยู่ก่อน โดยสนามไฟฟ้านี้จะเกี่ยวข้องกับรอยต่อ P-N ในภาวะสมดุลความร้อน (ศักย์สัมผัสจะสร้างสนาม) การแยกประจุระหว่างหลุมบวกและอิเล็กตรอนลบข้ามรอยต่อ P-N (ไดโอด) ให้ผลลัพธ์เป็นแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า (อังกฤษ: forward voltage) หรือ แรงดันภาพ (อังกฤษ: photo voltage) ระหว่างขั้วไดโอดที่เรืองแสง ตามที่ได้มีการตั้งข้อสังเกตไว้ก่อนหน้านี้ในส่วนของการตั้งชื่อ แรงดันภาพบางครั้งหมายถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าภาพ มากกว่าที่จะแยกความแตกต่างระหว่างผลกระทบและสาเหตุ การแยกประจุทำให้เกิดแรงดันภาพที่ขับเคลื่อนกระแสให้ไหลโหลดใด ๆ ที่ต่ออยู่

กระแสที่พร้อมส่งไปให้กับวงจรภายนอกจะถูกจำกัดโดยความสูญเสียภายใน ความสูญเสียภายในเกิดจากความต้านทานของไดโอดเองและความต้านทานแฝง (R_SH) ถ้ากระแสสูญเสียกำหนดให้มีค่าเป็น I₀ ดังนั้นตามรูป I₀=I_SH + I_D:

${\displaystyle I=I_{L}-I_{0}=I_{L}-I_{SH}-I_{D}}$ 

ความสูญเสียทั้งหลายจะจำกัดกระแสที่พร้อมจ่ายให้กับวงจรภายนอก การแยกประจุโดยการเหนี่ยวนำของแสงในที่สุดก็จะสร้างกระแส I_SH (ที่เรียกว่ากระแสไปข้างหน้า) ไหลผ่านรอยต่อของเซลล์ไปในทิศทางตรงข้ามกับที่แสงกำลังขับกระแส นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีแนวโน้มที่จะให้ไบแอสไปข้างหน้า (อังกฤษ: forward bias) กับรอยต่อ ในระดับที่สูงพอ ไบแอสไปข้างหน้านี้จะทำให้เกิดกระแสไปข้างหน้า I_D ขึ้นในไดโอดตรงข้ามกับกระแสไปข้างหน้าที่เกิดจากแสง ผลที่ตามมา กระแสที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะเกิดภายใต้สภาวะการลัดวงจร และแสดงด้วยสัญญลักษณ์ I_L (สำหรับกระแสที่เกิดขึ้นจากแสง) ในวงจรเทียบเท่า โดยประมาณ กระแสที่เหมือนกันนี้จะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้ามีค่าสูงถึงจุดที่ไดโอดจะกลายเป็นตัวนำกระแส

กระแสที่ได้จากไดโอดเมื่อกระทบกับแสงแล้วจัดส่งให้กับวงจรภายนอกจะมีค่าเป็น:

${\displaystyle I=I_{L}-I_{0}\left(e^{qV/(mkT)}-1\right)\ ,}$ 

เมื่อ I₀ เป็นกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ เมื่อสองพารามิเตอร์ที่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์และขึ้นอยู่ในระดับหนึ่งกับตัวแรงดันไฟฟ้าเองมีค่าเป็น m หรือปัจจัย ideality และ kT/q เป็นแรงดันความร้อน (ประมาณ 0.026 V ที่อุณหภูมิห้อง) ความสัมพันธ์นี้จะถูกวาดลงบนแผ่นกราฟในภาพโดยใช้ค่าคงที่ m = 2 ภายใต้สภาวะวงจรเปิด (นั่นคือ I = 0), แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดจะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ไบแอสไปข้างหน้าของรอยต่อมีค่าพอเพียงที่จะทำให้กระแสไปข้างหน้าทำการสมดุลกับกระแสภาพได้อย่างสมบูรณ์ การแก้สมการข้างต้นสำหรับแรงดันไฟฟ้า V และการกำหนดให้มันเป็นแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของสมการ I–V จะเป็น:

${\displaystyle V_{\text{oc}}=m\ {\frac {kT}{q}}\ \ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right)\ ,}$ 

ซึ่งจะเป็นประโยชน์ในการบ่งชี้การพึ่งพาอาศัยแบบลอการิทึม V_oc ต่อกระแสที่สร้างขึ้นจากแสง โดยปกติแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดจะมีค่าไม่เกินประมาณ 0.5 โวลต์ 0.5 V.

เมื่อกำลังจ่ายพลังงานให้กับโหลด แรงดันภาพอาจแปรเปลี่ยนได้ ตามที่แสดงในภาพประกอบ สำหรับโหลดที่มีความต้านทาน R_L เซลล์จะพัฒนาแรงดันไฟฟ้าที่จะอยู่ระหว่างค่าลัดวงจร V = 0, ทำให้ I = I_L และค่าวงจรเปิด V_oc, ทำให้ I = 0 ดังนั้นค่าที่กำหนดโดยกฎของโอห์มคือ V = I R_L เมื่อกระแส I เป็นความแตกต่างระหว่างกระแสลัดวงจรกับกระแสเนื่องจากไบแอสไปข้างหน้าของรอยต่อ ตามที่ระบุไว้โดยวงจรสมมูล (ไม่นำความต้านทานปรสิตมาคิด)

ซึ่งตรงข้ามกับแบตเตอรี่ ที่ระดับกระแแสที่ส่งไปยังวงจรภายนอกใกล้ I_L, เซลล์แสงอาทิตย์ทำหน้าที่เหมือน แหล่งจ่ายกระแสมากกว่าแหล่งจ่ายแรงดัน (ใกล้ส่วนแนวตั้งของเส้นโค้งสองเส้นที่แสดงเป็นภาพประกอบ). กระแสที่ถูกดึงไปใช้เกือบจะคงที่ในช่วงพิสัยหนึ่งของแรงดันโหลด จนถึงหนึ่งอิเล็กตรอนต่อโฟตอนที่ถูกแปลง ประสิทธิภาพควอนตัมหรือความน่าจะเป็นของการได้รับอิเล็กตรอนของกระแสภาพต่อโฟตอนที่ตกกระทบ ขึ้นอยุ่ไม่เพียงแต่กับตัวเซลล์แสงอาทิตย์เองเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับสเปกตรัมของแสงอีกด้วย

ไดโอดมีคุณสมบัติ "ศักย์ในตัว" (อังกฤษ: built-in potential) อันเกิดขึ้นเองเนื่องจากความต่างศักย์ที่หน้าสัมผัสระหว่างวัสดุสองชนิดที่แตกต่างบนด้านใดด้านหนึ่งของรอยต่อ ศักย์ในตัวนี้จะเกิดขึ้นตั้งแต่เมื่อรอยต่อถูกผลิตขึ้นและแรงดันไฟฟ้านั้นเป็นผลพลอยได้จากความสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ภายในเซลล์ เมื่อเกิดขึ้นมาแล้ว อย่างไรก็ตามความต่างศักย์นี้ก็ยังไม่สามารถขับเคลื่อนกระแสได้เนื่องจากการเชื่อมต่อโหลดไม่ได้มีผลกระทบกับความสมดุลนี้^{[โปรดขยายความ]} ในทางตรงกันข้ามการสะสมของอิเล็กตรอนส่วนเกินในหนึ่งภูมิภาคและโฮลส่วนเกินในอีกหนึ่งภูมิภาคอันเนื่องจากกระทบกับแสง ส่งผลให้เกิดแรงดันภาพที่ขับเคลื่อนกระแสได้จริงเมื่อมีโหลดมาเชื่อมต่อกับไดโอดที่เรืองแสงนั้น ตามที่ระบุไว้ข้างต้น แรงดันภาพนี้ยังให้ไบแอสไปข้างหน้ากับรอยต่ออีกด้วย และเป็นการช่วยลดสนามที่มีอยู่ก่อนในภูมิภาคพร่องพาหะ (อังกฤษ: depletion region)

ดูเพิ่ม

• Counter-electromotive force
• แบตเตอรี
• เซลล์ไฟฟ้าเคมี
• เซลล์อิเล็กโทรไลต์
• เซลล์กัลวานิก
• Voltaic pile

อ้างอิง

1. emf. (1992). American Heritage Dictionary of the English Language 3rd ed. Boston:Houghton Mifflin.
2. Irving Langmuir (1916). "The Relation Between Contact Potentials and Electrochemical Action". Transactions of the American Electrochemical Society. The Society. 29: 125–182.
3. Tipler, Paul A. (January 1976). Physics. New York, NY: Worth Publishers, Inc. p. 803. ISBN 0-87901-041-X.
4. David M. Cook (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. p. 157. ISBN 978-0-486-42567-2.
5. Lawrence M Lerner (1997). Physics for scientists and engineers. Jones & Bartlett Publishers. pp. 724–727. ISBN 0-7637-0460-1.
6. Paul A. Tipler and Gene Mosca (2007). Physics for Scientists and Engineers (6 ed.). Macmillan. p. 850. ISBN 1-4292-0124-X.
7. Alvin M. Halpern, Erich Erlbach (1998). Schaum's outline of theory and problems of beginning physics II. McGraw-Hill Professional. p. 138. ISBN 0-07-025707-8.
8. Robert L. Lehrman (1998). Physics the easy way. Barron's Educational Series. p. 274. ISBN 978-0-7641-0236-3.
9. Kongbam Chandramani Singh (2009). "§3.16 EMF of a source". Basic Physics. Prentice Hall India Pvt Ltd. p. 152. ISBN 81-203-3708-5.
10. Florian Cajori (1899). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. The Macmillan Company. pp. 218–219.
11. Van Valkenburgh (1995). Basic Electricity. Cengage Learning. pp. 1–46. ISBN 978-0-7906-1041-2.
12. David J Griffiths (1999). Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Pearson/Addison-Wesley. p. 293. ISBN 0-13-805326-X.
13. สนามไฟฟ้าเนื่องจากการแยกประจุที่เกิดขึ้นโดยแรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่านั้นที่นำมาคิด ในเซลล์แสงอาทิตย์เป็นตัวอย่าง การปรากฏของสนามไฟฟ้าจะสัมพันธ์กับศักย์ไฟฟ้าที่จุดสัมผัสที่เป็นผลมาจากการสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (จะพูดถึงภายหลัง) และส่วนประกอบสนามไฟฟ้านี้ไม่ถูกนับรวมอยู่ในอินทีกรัล แต่สนามไฟฟ้าที่เกิดเนื่องจากบางส่วนของการแยกประจุเท่านั้นที่ทำให้เกิดแรงดันแสงจะถูกนับรวมแทน
14. Richard P. Olenick, Tom M. Apostol and David L. Goodstein (1986). Beyond the mechanical universe: from electricity to modern physics. Cambridge University Press. p. 245. ISBN 978-0-521-30430-6.
15. David M. Cook (2003). The Theory of the Electromagnetic Field. Courier Dover. p. 158. ISBN 978-0-486-42567-2.
16. Colin B P Finn (1992). Thermal Physics. CRC Press. p. 163. ISBN 0-7487-4379-0.
17. Colin B P Finn (1992). Thermal Physics. CRC Press. p. 163. ISBN 0-7487-4379-0.
18. M. Fogiel (2002). Basic Electricity. Research & Education Association. p. 76. ISBN 0-87891-420-X.
19. David Halliday, Robert Resnick, and Jearl Walker (2008). Fundamentals of Physics (6th ed.). Wiley. p. 638. ISBN 978-0-471-75801-3.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
20. Roger L Freeman (2005). Fundamentals of Telecommunications (2nd ed.). Wiley. p. 576. ISBN 0-471-71045-8.
21. Terrell Croft (1917). Practical Electricity. McGraw-Hill. p. 533.
22. Leonard B Loeb (2007). Fundamentals of Electricity and Magnetism (Reprint of Wiley 1947 3rd ed.). Read Books. p. 86. ISBN 1-4067-0733-3.
23. Jenny Nelson (2003). The Physics of Solar Cells. Imperial College Press. p. 6. ISBN 1-86094-349-7.
24. John S. Rigden, (editor in chief), Macmillan encyclopedia of physics. New York : Macmillan, 1996.
25. J. R. W. Warn, A. P. H. Peters (1996). Concise Chemical Thermodynamics (2 ed.). CRC Press. p. 123. ISBN 0-7487-4445-2.
26. Samuel Glasstone (2007). Thermodynamics for Chemists (Reprint of D. Van Nostrand Co (1964) ed.). Read Books. p. 301. ISBN 1-4067-7322-0.
27. Nikolaus Risch (2002). "Molecules - bonds and reactions". ใน L Bergmann; และคณะ (บ.ก.). Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei, and Particles. CRC Press. ISBN 0-8493-1202-7.
28. Florian Cajori (1899). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. The Macmillan Company. pp. 218–219.
29. The brave reader can find an extensive discussion for organic electrochemistry in Christian Amatore (2000). "Basic concepts". ใน Henning Lund, Ole Hammerich (บ.ก.). Organic electrochemistry (4 ed.). CRC Press. ISBN 0-8247-0430-4.
30. แนวคิดของ electronegativity ได้ถูกขยายออกไปเพื่อรวมถึงหลักการของ electronegativity equalization ซึ่งหมายถึงว่าเมื่อโมเลกุลมากกว่าหนึ่งตัวถูกนำมาอยู่ใกล้กัน อิเล็กตรอนจะวางตัวใหม่เพื่อให้เกิดความสมดุลนั่นคือจะไม่มีแรงสุทธิบนตัวพวกมัน ดูตัวอย่างใน Francis A. Carey, Richard J. Sundberg (2007). Advanced organic chemistry (5 ed.). Springer. p. 11. ISBN 0-387-68346-1.
31. BE Conway (1999). "Energy factors in relation to electrode potential". Electrochemical supercapacitors. Springer. p. 37. ISBN 0-306-45736-9
32. R. J. D. Tilley (2004). Understanding Solids. Wiley. p. 267. ISBN 0-470-85275-5.
33. Colin B P Finn (1992). Thermal Physics. CRC Press. p. 163. ISBN 0-7487-4379-0.
34. Paul Fleury Mottelay (2008). Bibliographical History of Electricity and Magnetism (Reprint of 1892 ed.). Read Books. p. 247. ISBN 1-4437-2844-6.
35. Helge Kragh (2000). "Confusion and Controversy: Nineteenth-century theories of the voltaic pile" (PDF). Nuova Voltiana:Studies on Volta and his times. Università degli studi di Pavia.
36. Linnaus Cumming (2008). An Introduction to the Theory of Electricity (Reprint of 1885 ed.). BiblioBazaar. p. 118. ISBN 0-559-20742-5.
37. George L. Trigg (1995). Landmark experiments in twentieth century physics (Reprint of Crane, Russak & Co 1975 ed.). Courier Dover. p. 138 ff. ISBN 0-486-28526-X.
38. Angus Rockett (2007). "Diffusion and drift of carriers". Materials science of semiconductors. New York, NY: Springer Science. p. 74 ff. ISBN 0-387-25653-9.
39. Charles Kittel (2004). "Chemical potential in external fields". Elementary Statistical Physics (Reprint of Wiley 1958 ed.). Courier Dover. p. 67. ISBN 0-486-43514-8.
40. George W. Hanson (2007). Fundamentals of Nanoelectronics. Prentice Hall. p. 100. ISBN 0-13-195708-2.
41. Norio Sato (1998). "Semiconductor photoelectrodes". Electrochemistry at metal and semiconductor electrodes (2nd ed.). Elsevier. p. 110 ff. ISBN 0-444-82806-0.
42. Richard S. Quimby (2006). Photonics and lasers. Wiley. p. 176. ISBN 0-471-71974-9.
43. Donald A. Neamen (2002). Semiconductor physics and devices (3rd ed.). McGraw-Hill Professional. p. 240. ISBN 0-07-232107-5.
44. Jenny Nelson (2003). Solar cells. Imperial College Press. p. 8. ISBN 1-86094-349-7.
45. S M Dhir (2000). "§3.1 Solar cells". Electronic Components and Materials: Principles, Manufacture and Maintenance. Tata McGraw-Hill. ISBN 0-07-463082-2.
46. Gerardo L. Araújo (1994). "§2.5.1 Short-circuit current and open-circuit voltage". ใน Eduardo Lorenzo (บ.ก.). Solar Electricity: Engineering of photovoltaic systems. Progenza for Universidad Politechnica Madrid. p. 74. ISBN 84-86505-55-0.
47. In practice, at low voltages m → 2, whereas at high voltages m → 1. See Araújo, op. cit. ISBN 84-86505-55-0. page 72
48. Robert B. Northrop (2005). "§6.3.2 Photovoltaic Cells". Introduction to Instrumentation and Measurements. CRC Press. p. 176. ISBN 0-8493-7898-2.