Elektromotorische kracht

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

De elektromotorische kracht (EMK) (Engels: Electromotive Force (EMF)) is de historisch gegroeide, verouderde naam voor de oorsprong- of bronspanning van een galvanisch element of de theoretische waarde van de inductiespanning bij elektromotoren en generatoren of algemeen iedere spanningsbron.

Terminologie[bewerken]

De term elektromotorische kracht is afkomstig van de Italiaan Alessandro Volta (1745–1827), uitvinder van de Zuil van Volta. Hij gebruikt het woord kracht om aan te duiden dat er een "onzichtbare mechanische kracht" aanwezig is die de elektrische stroom doet vloeien. Ofwel de kracht die elektriciteit doet bewegen. Het is dus een ander woord voor elektrische spanning die ontstaat en die men elektriciteit noemt. Men spreekt ook van EMS: elektromotorische spanning. Het is het elektrisch potentiaalverschil van een onbelaste stroombron.

In het geval van elektrische (potentiële) energie geeft dit potentiaalverschil, elektrische energie per lading, aanleiding tot een elektrische spanning. Als er een niet oneindige-weerstand tussen de twee punten bestaat, als er bijvoorbeeld een stroomdraad tussen zit, zal er een elektrische stroom gaan lopen tussen de punten. De eenheid van spanning is volt.

De term elektromotorische kracht wordt vooral in een meer natuurkundige omgeving gebruikt. Vanuit de scheikunde, waar gewerkt wordt met elektrochemische cellen, spreekt men vaak over celspanning.

Opwekking[bewerken]

De elektromotorische kracht kan op vier manieren opgewekt worden:

Elektrochemisch[bewerken]

Schematische voorstelling galvanisch element

Een galvanisch element bestaat uit twee polen:

  1. Anode, bv. zinkstaaf in vloeistof van zinksulfaat ZnSO4
  2. Kathode, bv. koperstaaf in vloeistof van koper(II)sulfaat CuSO4

De metaalatomen van de metaalstaven (elektrodes) kunnen oplossen in de vloeistof (elektrolyt), of metaalionen kunnen neerslaan uit het elektroliet. Er zal hierdoor een potentiaalverschil ontstaan tussen de elektroden en het elektrolyt. Dit potentiaalverschil wordt beschreven met behulp van de wet van Nernst.

Worden er twee elektrodes van verschillende materialen gebruikt, dan zal het elektrolyt ze in twee verschillende elektrische toestanden brengen. De ene elektrode heeft een hogere potentiaalverschil ten opzichte van het elektrolyt dan de andere elektrode en wordt tussen de twee elektrodes een elektromotorische kracht Ecel opgewekt[1]

E_{cel} = E_{kathode} - E_{anode} = E_{koper} - E_{zink} = 1.1 V\![2]

Thermoelektrisch[bewerken]

Een elektromotorische kracht kan ook verkregen worden uit het temperatuursverschillen tussen twee verbindingen van verschillende metalen of legeringen. Dit Seebeck-effect - in 1821 ontdekt door Thomas Seebeck - wordt toegepast bij onder andere thermokoppels. Deze thermo-EMK is afhankelijk van de Seebeck-coëfficiënt S van de twee materialen en het temperatuursverschil ΔT tussen de verwarmde las en de koude las waar de spanning gemeten wordt.

E_{th} = E_{warm} - E_{koud} = (S_A - S_B)\Delta T\!

Elektromagnetisch[bewerken]

De elektromotorische kracht is de inductiespanning die opgewekt wordt wanneer een geleider in een magnetisch veld wordt bewogen of wanneer de geleider zich bevindt in een veranderend magnetisch veld. Dit natuurkundige verschijnsel wordt inductie genoemd en is het belangrijkste principe waarop transformatoren en generatoren gebaseerd zijn. Omdat bij elektromotoren de EMK tegengesteld is aan de klemspanning wordt hierbij vaak de term tegen-EMK gebruikt.

Met de inductiewet van Faraday kan de EMK bepaald worden:

E_{em} = -\frac{\mathrm{d}\mathit{\Phi}}{\mathrm{d}t}

De inductiespanning Eem (in volt) is evenredig met de variatie in de sterkte van het magnetisch veld, de magnetische flux, Φ (in weber) gedurende een bepaalde tijd t (in seconde). Het minteken is enkel richting bepalend. Het geeft aan dat de geïnduceerde EMK in oppositie is met de oorzaak van zijn ontstaan. (Wet van Lenz).

De inductiespanning Eem op een bepaald moment is evenredig met de grootte van de magnetische fluxdichtheid B (in tesla), evenredig met de lengte van de geleider in het magnetische veld l (in meter) en evenredig met de snelheid v van de geleider ten opzichte van het magnetische veld.

E_{em} = - B l v\!

Statische elektriciteit[bewerken]

Schema werking Van de Graaff generator

Onder statische elektriciteit wordt elektriciteit bedoeld waarbij geen stroom loopt, maar wel een hoge (gelijk)spanning aanwezig is. Elektrische tegenpolen trekken elkaar aan. Dus als er geen stroom loopt is er toch een effect. Statische elektriciteit kan met elektrische apparatuur opgewekt worden, maar ook mechanisch. Door wrijving van verschillende materialen kan statische elektriciteit opgewekt worden. In een elektriseermachine, zoals de vandegraaffgenerator, wordt dat principe gebruikt. Personen kunnen statisch geladen worden door de wrijving tussen schoenzolen en vloerbedekking; het aanraken van metaal kan dan voor een ontlading zorgen.

Een onweersbui is statisch geladen, en de bliksem is de ontlading van statische elektriciteit.

Tegen-EMK[bewerken]

Bij een draaiende elektromotor doorsnijden de geleiders in het anker de krachtlijnen van het magnetisch veld. Hierdoor wordt in de ankergeleiders een elektromotorische kracht (de inductiespanning) opgewekt. Omdat de richting van deze geïnduceerde EMK tegengesteld is aan de aangelegde klemspanning wordt deze de tegen-EMK (of tegenspanning) genoemd.

Voetnoten
  1. Voorwaarde voor het optreden van een EMK is wel dat de elektroliet-oplossingen van de twee elektroden niet vrij kunnen mengen, maar door een diffusie-barrière, zoals een zoutbrug van elkaar gescheiden zijn.
  2. De hier berekende waarde geldt alleen als de Chemische activiteit van de twee ionssoorten gelijk is!