Force électromotrice - Electromotive force

Articles sur
Électromagnétisme
Électricité Magnétisme Histoire Manuels
Électrostatique Charge électrique La loi de coulomb Conducteur Densité de charge Permittivité Moment dipolaire électrique Champ électrique Potentiel électrique Flux électrique  / énergie potentielle Décharge électrostatique La loi de Gauss Induction Isolant Densité de polarisation Électricité statique Triboélectricité
Magnétostatique La loi d'Ampère Loi Biot-Savart La loi de Gauss pour le magnétisme Champ magnétique Flux magnétique Moment dipolaire magnétique Perméabilité magnétique Potentiel scalaire magnétique Magnétisation Force magnétomotrice Potentiel de vecteur magnétique Règle de la main droite
Électrodynamique Loi de force de Lorentz Induction électromagnétique La loi de Faraday La loi de Lenz Courant de déplacement les équations de Maxwell Champ électromagnétique Pulsation éléctromagnétique Un rayonnement électromagnétique Tenseur de Maxwell Vecteur de poynting Potentiel Liénard–Wiechert Les équations de Jefimenko Courant de Foucault équations de Londres Descriptions mathématiques du champ électromagnétique
Réseau électrique Courant alternatif Capacitance Courant continu Courant électrique Électrolyse La densité actuelle Chauffage Joule Force électromotrice Impédance Inductance La loi d'Ohm Circuit parallèle La résistance Cavités résonantes Circuit en série Tension Guides d'ondes
Formulation covariante Tenseur électromagnétique ( tenseur contrainte-énergie ) Quatre courants Quatre potentiels électromagnétiques
Scientifiques Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henri Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Chanteur Tesla Volta Weber Poisson
v t e

En électromagnétisme et en électronique , la force électromotrice ( fem , notée et mesurée en volts ) est l'action électrique produite par une source non électrique. Les appareils (appelés transducteurs ) fournissent une force électromotrice en convertissant d'autres formes d'énergie en énergie électrique , telles que les batteries (qui convertissent l'énergie chimique ) ou les générateurs (qui convertissent l'énergie mécanique ). Parfois, une analogie avec la pression de l' eau est utilisée pour décrire la force électromotrice. (Le mot "force" dans ce cas n'est pas utilisé pour désigner les forces d'interaction entre les corps). ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

Dans l'induction électromagnétique , la force électromotrice peut être définie autour d'une boucle fermée de conducteur comme le travail électromagnétique qui serait effectué sur une charge électrique (un électron dans ce cas) si elle faisait le tour de la boucle. Pour une variation temporelle du flux magnétique reliant une boucle, le potentiel électrique ' s champ scalaire est pas défini en raison d'une circulation d' électricité champ de vecteurs , mais une force électromotrice fait néanmoins un travail qui peut être mesurée en tant que potentiel électrique virtuel autour de la boucle.

Dans le cas d'un dispositif à deux bornes (comme une cellule électrochimique ) qui est modélisé comme un circuit équivalent de Thévenin , la force électromotrice équivalente peut être mesurée comme la différence de potentiel en circuit ouvert, ou tension , entre les deux bornes. Cette différence de potentiel peut entraîner un courant électrique si un circuit externe est connecté aux bornes, auquel cas l'appareil devient la source de tension de ce circuit.

Aperçu

Les dispositifs qui peuvent fournir une force électromotrice comprennent les cellules électrochimiques , les dispositifs thermoélectriques , les cellules solaires , les photodiodes , les générateurs électriques , les transformateurs et même les générateurs Van de Graaff . Dans la nature, la force électromotrice est générée lorsque des fluctuations de champ magnétique se produisent à travers une surface. Par exemple, le déplacement du champ magnétique terrestre lors d'un orage géomagnétique induit des courants dans un réseau électrique lorsque les lignes du champ magnétique sont déplacées et coupées à travers les conducteurs.

Dans une batterie, la séparation de charge qui donne lieu à une différence de tension entre les bornes est réalisée par des réactions chimiques au niveau des électrodes qui convertissent l'énergie potentielle chimique en énergie potentielle électromagnétique. Une cellule voltaïque peut être considérée comme ayant une « pompe de charge » de dimensions atomiques à chaque électrode, c'est-à-dire :

Une source de force électromotrice peut être considérée comme une sorte de pompe de charge qui agit pour déplacer les charges positives d'un point de faible potentiel à travers son intérieur jusqu'à un point de potentiel élevé. … Par des moyens chimiques, mécaniques ou autres, la source de force électromotrice effectue un travail dW sur cette charge pour la déplacer vers la borne à haut potentiel. La fem ℰ de la source est définie comme le travail dW fait par charge DQ . .${\textstyle {\mathcal {E}}={\frac {{\mathit {d}}W}{{\mathit {d}}q}}}$

Dans un générateur électrique, un champ magnétique variant dans le temps à l'intérieur du générateur crée un champ électrique par induction électromagnétique , ce qui crée une différence de tension entre les bornes du générateur. La séparation des charges a lieu à l'intérieur du générateur parce que les électrons s'éloignent d'une borne vers l'autre, jusqu'à ce que, dans le cas du circuit ouvert, un champ électrique se développe qui rend la séparation des charges impossible. La force électromotrice est contrée par la tension électrique due à la séparation des charges. Si une charge est attachée, cette tension peut conduire un courant. Le principe général régissant la force électromotrice dans de telles machines électriques est la loi d'induction de Faraday .

Histoire

Vers 1830, Michael Faraday a établi que les réactions chimiques à chacune des deux interfaces électrode-électrolyte fournissent le "siège de la force électromotrice" pour la cellule voltaïque. C'est-à-dire que ces réactions entraînent le courant et ne sont pas une source d'énergie sans fin comme on le pensait initialement. Dans le cas du circuit ouvert, la séparation des charges se poursuit jusqu'à ce que le champ électrique des charges séparées soit suffisant pour arrêter les réactions. Des années plus tôt, Alessandro Volta , qui avait mesuré une différence de potentiel de contact à l'interface métal-métal (électrode-électrode) de ses cellules, avait l'opinion erronée que le contact seul (sans tenir compte d'une réaction chimique) était à l'origine de la force électromotrice. .

Notation et unités de mesure

La force électromotrice est souvent désignée par ou ℰ ( U+2130 ℰ SCRIPT CAPITAL E ). ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

Dans un appareil sans résistance interne, si une charge électrique Q traverse cet appareil et gagne une énergie W , la force électromotrice nette pour cet appareil est l'énergie gagnée par unité de charge , ou W / Q . Comme d'autres mesures d'énergie par charge, la force électromotrice utilise l' unité SI volt , qui équivaut à un joule par coulomb .

La force électromotrice en unités électrostatiques est le statvolt (en centimètre gramme deuxième système d'unités égal en quantité à un erg par unité de charge électrostatique ).

Définitions formelles

À l'intérieur d' une source de force électromotrice en circuit ouvert, le champ électrostatique conservateur créé par la séparation des charges annule exactement les forces produisant la force électromotrice. Ainsi, la force électromotrice a la même valeur mais de signe opposé que l'intégrale du champ électrique alignée avec un chemin interne entre deux bornes A et B d'une source de force électromotrice en circuit ouvert (le chemin est emprunté de la borne négative à la borne positive pour produire une force électromotrice positive, indiquant le travail effectué sur les électrons se déplaçant dans le circuit). Mathématiquement:

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

où E _cs est le champ électrostatique conservateur créé par la séparation de charge associée à la fcem, d ℓ est un élément de la trajectoire de la borne A à la borne B , et « ⋅ » désigne le vecteur produit scalaire . Cela n'implique aucune composante non conservatrice du champ électrique, par exemple, due à l'induction électromagnétique .

Dans le cas d'un chemin fermé en présence d'un champ magnétique variable , l'intégrale du champ électrique autour d'une boucle fermée peut être non nulle ; une application courante du concept de force électromotrice, connue sous le nom de " force électromotrice induite ", est la tension induite dans une telle boucle. La " fem induite " autour d'un chemin fermé stationnaire C est :

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

où E est le champ électrique entier, conservateur et non conservateur, et l'intégrale est autour d'une courbe fermée arbitraire mais stationnaire C à travers laquelle il y a un champ magnétique variable. Le champ électrostatique ne contribue pas à la force électromotrice nette autour d'un circuit car la partie électrostatique du champ électrique est conservatrice (c'est-à-dire que le travail effectué contre le champ autour d'un chemin fermé est nul, voir la loi de tension de Kirchhoff , qui est car les éléments du circuit restent au repos et le rayonnement est ignoré).

Cette définition peut être étendue à des sources arbitraires d'emf et de chemins mobiles C :

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {E}}&=\oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B} }\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\\&\qquad +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Forces\chimiques\ efficaces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\\&\qquad \qquad +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Efficace\ thermique\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,\end{aligned}}}$

qui est une équation conceptuelle principalement, car la détermination des "forces effectives" est difficile.

En thermodynamique (électrochimique)

Lorsqu'elle est multipliée par une quantité de charge dQ, la force électromotrice donne un terme de travail thermodynamique dQ qui est utilisé dans le formalisme pour la variation de l' énergie de Gibbs lorsque la charge est transmise dans une batterie :

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

où G est l'énergie libre de Gibb, S est l' entropie , V est le volume du système, P est sa pression et T est sa température absolue .

La combinaison ( , Q ) est un exemple de paire conjuguée de variables . À pression constante, la relation ci-dessus produit une relation de Maxwell qui lie le changement de tension de cellule ouverte avec la température T (une quantité mesurable) au changement d'entropie S lorsque la charge est transmise de manière isotherme et isobare . Cette dernière est étroitement liée à l' entropie de réaction de la réaction électrochimique qui confère à la batterie sa puissance. Cette relation de Maxwell est :

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

Si une mole d'ions entre en solution (par exemple, dans une cellule Daniell, comme indiqué ci-dessous), la charge à travers le circuit externe est :

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

où n ₀ est le nombre d'électrons/ion, et F ₀ est la constante de Faraday et le signe moins indique la décharge de la cellule. En supposant une pression et un volume constants, les propriétés thermodynamiques de la cellule sont strictement liées au comportement de sa force électromotrice par :

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

où H est l' enthalpie de réaction . Les quantités à droite sont toutes directement mesurables. En supposant une température et une pression constantes :

${\displaystyle \Delta G=-n_{0}F_{0}{\mathcal {E}}}$

qui est utilisé dans la dérivation de l' équation de Nernst .

Différence de tension

Une différence de tension électrique est parfois appelée fem. Les points ci-dessous illustrent l'usage plus formel, en termes de distinction entre la force électromotrice et la tension qu'elle génère :

1. Pour un circuit dans son ensemble, tel que celui contenant une résistance en série avec une cellule voltaïque, la tension électrique ne contribue pas à la force électromotrice globale, car la différence de tension lors du contournement d'un circuit est nulle. (La chute de tension ohmique IR plus la somme de la tension électrique appliquée à zéro. Voir la loi de tension de Kirchhoff ). La force électromotrice est due uniquement à la chimie de la batterie qui provoque la séparation des charges, qui à son tour crée une tension électrique qui entraîne le courant.
2. Pour un circuit constitué d'un générateur électrique qui entraîne le courant à travers une résistance, la force électromotrice est due uniquement à un champ magnétique variant dans le temps dans le générateur qui génère une tension électrique qui à son tour entraîne le courant. (La chute ohmique IR plus la tension électrique appliquée est à nouveau égale à zéro. Voir la loi de Kirchhoff )
3. Un transformateur couplant deux circuits peut être considéré comme une source de force électromotrice pour l'un des circuits, tout comme s'il était provoqué par un générateur électrique ; cet exemple illustre l'origine du terme "transformateur emf".
4. Une photodiode ou une cellule solaire peut être considérée comme une source de force électromotrice, similaire à une batterie, entraînant une tension électrique générée par une séparation de charge entraînée par la lumière plutôt que par une réaction chimique.
5. D'autres dispositifs qui produisent des emf sont les piles à combustible , les thermocouples et les thermopiles .

Dans le cas d'un circuit ouvert, la charge électrique qui a été séparée par le mécanisme générant la force électromotrice crée un champ électrique s'opposant au mécanisme de séparation. Par exemple, la réaction chimique dans une cellule voltaïque s'arrête lorsque le champ électrique opposé à chaque électrode est suffisamment fort pour arrêter les réactions. Un champ opposé plus grand peut inverser les réactions dans ce qu'on appelle les cellules réversibles .

La charge électrique qui a été séparée crée une différence de potentiel électrique qui peut être mesurée avec un voltmètre entre les bornes de l'appareil. L'amplitude de la force électromotrice pour la batterie (ou une autre source) est la valeur de cette tension de «circuit ouvert». Lorsque la batterie est en charge ou en décharge, la force électromotrice elle-même ne peut pas être mesurée directement à l'aide de la tension externe car une certaine tension est perdue à l'intérieur de la source. Il peut cependant être déduit d'une mesure du courant I et la différence de tension V , à condition que la résistance interne r a été mesurée déjà: ℰ  =  V  +  Ir .

La différence de tension n'est pas la même que la différence de potentiel. La différence de potentiel entre deux points A et B est indépendante du chemin que nous empruntons de A à B. Par conséquent, en mesurant la différence de potentiel entre A et B, la position du voltmètre ne fait aucune différence. Cependant, il est tout à fait possible que la différence de tension induite entre les points A et B dépende de la position du voltmètre, puisque la différence de tension n'est pas une fonction conservatrice de la position. Par exemple, considérons un solénoïde infiniment long utilisant un courant alternatif pour générer un flux variable à l'intérieur du solénoïde. En dehors du solénoïde, nous avons deux résistances connectées en anneau autour du solénoïde. La résistance de gauche est de 100 Ohm et celle de droite est de 200 Ohm, elles sont connectées en haut et en bas aux points A et B. La tension induite, par la loi de Faraday est V, donc le courant I = V/( 100+200). Par conséquent, la tension aux bornes de la résistance de 100 Ohm est de 100I et la tension aux bornes de la résistance de 200 Ohm est de 200I, mais les deux résistances sont connectées aux deux extrémités, mais Vab mesuré avec le voltmètre à gauche du solénoïde n'est pas le même que Vab mesuré avec le voltmètre à droite du solénoïde.

Génération

Sources chimiques

La question de savoir comment les batteries ( cellules galvaniques ) génèrent une force électromotrice a occupé les scientifiques pendant la majeure partie du XIXe siècle. Le "siège de la force électromotrice" a finalement été déterminé en 1889 par Walther Nernst comme étant principalement aux interfaces entre les électrodes et l' électrolyte .

Les atomes des molécules ou des solides sont maintenus ensemble par une liaison chimique , qui stabilise la molécule ou le solide (c'est-à-dire réduit son énergie). Lorsque des molécules ou des solides d'énergie relativement élevée sont réunis, une réaction chimique spontanée peut se produire qui réorganise la liaison et réduit l'énergie (libre) du système. Dans les batteries, des demi-réactions couplées, impliquant souvent des métaux et leurs ions, se produisent en tandem, avec un gain d'électrons (appelé "réduction") par une électrode conductrice et une perte d'électrons (appelée "oxydation") par une autre (réduction-oxydation ou réactions redox ). La réaction globale spontanée ne peut se produire que si les électrons se déplacent à travers un fil externe entre les électrodes. L'énergie électrique dégagée est l'énergie libre perdue par le système de réaction chimique.

À titre d'exemple, une cellule Daniell se compose d'une anode de zinc (un collecteur d'électrons) qui est oxydée lorsqu'elle se dissout dans une solution de sulfate de zinc. Le zinc en dissolution laissant derrière lui ses électrons dans l'électrode selon la réaction d'oxydation ( s = électrode solide ; aq = solution aqueuse) :

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

Le sulfate de zinc est l' électrolyte dans cette demi-cellule. C'est une solution qui contient des cations zinc et des anions sulfate avec des charges qui s'équilibrent à zéro. ${\displaystyle \mathrm {Zn} ^{2+}}$${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}}$

Dans l'autre demi-cellule, les cations de cuivre dans un électrolyte de sulfate de cuivre se déplacent vers la cathode de cuivre à laquelle ils se fixent lorsqu'ils adoptent les électrons de l'électrode de cuivre par la réaction de réduction :

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

ce qui laisse un déficit d'électrons sur la cathode de cuivre. La différence d'électrons en excès sur l'anode et le déficit d'électrons sur la cathode crée un potentiel électrique entre les deux électrodes. (Une discussion détaillée du processus microscopique de transfert d'électrons entre une électrode et les ions dans un électrolyte peut être trouvée dans Conway.) L'énergie électrique libérée par cette réaction (213 kJ pour 65,4 g de zinc) peut être attribuée principalement en raison de la 207 kJ liaison plus faible (plus petite amplitude de l'énergie de cohésion) du zinc, qui a rempli les orbitales 3d et 4s, par rapport au cuivre, qui a une orbitale non remplie disponible pour la liaison.

Si la cathode et l'anode sont connectées par un conducteur externe, les électrons traversent ce circuit externe (ampoule sur la figure), tandis que les ions traversent le pont salin pour maintenir l'équilibre de charge jusqu'à ce que l'anode et la cathode atteignent un équilibre électrique de zéro volt comme équilibre chimique est atteint dans la cellule. Dans le processus, l'anode de zinc est dissoute tandis que l'électrode de cuivre est plaquée de cuivre. Le "pont salé" doit fermer le circuit électrique tout en empêchant les ions de cuivre de se déplacer vers l'électrode de zinc et d'y être réduits sans générer de courant externe. Il n'est pas fait de sel mais d'un matériau capable d'absorber les cations et les anions (un sel dissocié) dans les solutions. Le flux de cations chargés positivement le long du "pont" équivaut au même nombre de charges négatives circulant dans la direction opposée.

Si l'ampoule est retirée (circuit ouvert), la force électromotrice entre les électrodes est opposée par le champ électrique en raison de la séparation des charges, et les réactions s'arrêtent.

Pour cette chimie de cellule particulier, à 298 K (température ambiante), la fem ℰ = 1,0934 V, avec un coefficient de température de d ℰ / j T  = -4,53 × 10 ^-4 V / K.

Cellules voltaïques

Volta a développé la cellule voltaïque vers 1792 et a présenté son travail le 20 mars 1800. Volta a correctement identifié le rôle d'électrodes dissemblables dans la production de la tension, mais a rejeté à tort tout rôle pour l'électrolyte. Volta a ordonné les métaux dans une "série de tension", "c'est-à-dire dans un ordre tel que n'importe quel membre de la liste devienne positif au contact de celui qui réussit, mais négatif au contact de celui qui le précède". Une convention symbolique typique dans un schéma de ce circuit ( – | | – ) aurait une électrode longue 1 et une électrode courte 2, pour indiquer que l'électrode 1 domine. La loi de Volta sur les CEM des électrodes opposées implique que, compte tenu de dix électrodes (par exemple, du zinc et neuf autres matériaux), 45 combinaisons uniques de cellules voltaïques (10 × 9/2) peuvent être créées.

Les valeurs typiques

La force électromotrice produite par les piles primaires (à usage unique) et secondaires (rechargeables) est généralement de l'ordre de quelques volts. Les chiffres cités ci-dessous sont nominaux, car la force électromotrice varie en fonction de la taille de la charge et de l'état d'épuisement de la cellule.

CEM	Chimie cellulaire			Nom commun
	Anode	Solvant, électrolyte	Cathode
1,2 V	Cadmium	Eau, hydroxyde de potassium	NiO(OH)	nickel-cadmium
1,2 V	Mischmetal (absorbant l'hydrogène)	Eau, hydroxyde de potassium	Nickel	Nickel-hydrure métallique
1,5 V	Zinc	Eau, chlorure d'ammonium ou de zinc	Carbone, dioxyde de manganèse	Carbone de zinc
2,1 V	Mener	Eau, acide sulfurique	Dioxyde de plomb	Plomb-acide
3,6 V à 3,7 V	Graphite	Solvant organique, sels de Li	LiCoO 2	Lithium-ion
1,35 V	Zinc	Eau, hydroxyde de sodium ou de potassium	HgO	Cellule à mercure

Induction électromagnétique

L'induction électromagnétique est la production d'un champ électrique circulant par un champ magnétique dépendant du temps. Un champ magnétique dépendant du temps peut être produit soit par le mouvement d'un aimant par rapport à un circuit, soit par le mouvement d'un circuit par rapport à un autre circuit (au moins l'un d'entre eux doit véhiculer un courant électrique), soit en modifiant le courant électrique dans un circuit fixe. L'effet sur le circuit lui-même, de changer le courant électrique, est connu sous le nom d'auto-induction; l'effet sur un autre circuit est connu sous le nom d'induction mutuelle .

Pour un circuit donné, la force électromotrice induite électromagnétiquement est déterminée uniquement par le taux de variation du flux magnétique à travers le circuit selon la loi d'induction de Faraday .

Une force électromotrice est induite dans une bobine ou un conducteur chaque fois qu'il y a un changement dans les liaisons de flux . Selon la manière dont les changements sont provoqués, il existe deux types : Lorsque le conducteur est déplacé dans un champ magnétique stationnaire pour obtenir un changement dans la liaison de flux, la force électromotrice est induite statiquement . La force électromotrice générée par le mouvement est souvent appelée force électromotrice . Lorsque la modification de la liaison de flux résulte d'une modification du champ magnétique autour du conducteur fixe, la force électromotrice est induite de manière dynamique. La force électromotrice générée par un champ magnétique variant dans le temps est souvent appelée emf de transformateur .

Potentiels de contact

Lorsque des solides de deux matériaux différents sont en contact, l'équilibre thermodynamique nécessite que l'un des solides assume un potentiel électrique plus élevé que l'autre. C'est ce qu'on appelle le potentiel de contact . Des métaux différents en contact produisent ce que l'on appelle également une force électromotrice de contact ou un potentiel de Galvani . L'amplitude de cette différence de potentiel est souvent exprimée comme une différence de niveaux de Fermi dans les deux solides lorsqu'ils sont à la neutralité de charge, où le niveau de Fermi (un nom pour le potentiel chimique d'un système électronique) décrit l'énergie nécessaire pour éliminer un électron du corps à un point commun (comme le sol). S'il y a un avantage énergétique à transporter un électron d'un corps à l'autre, un tel transfert se produira. Le transfert provoque une séparation de charge, un corps gagnant des électrons et l'autre perdant des électrons. Ce transfert de charge provoque une différence de potentiel entre les corps, qui annule en partie le potentiel provenant du contact, et finalement l'équilibre est atteint. A l'équilibre thermodynamique, les niveaux de Fermi sont égaux (l'énergie d'élimination des électrons est identique) et il y a maintenant un potentiel électrostatique intégré entre les corps. La différence d'origine des niveaux de Fermi, avant contact, est appelée emf. Le potentiel de contact ne peut pas conduire un courant constant à travers une charge attachée à ses bornes car ce courant impliquerait un transfert de charge. Aucun mécanisme n'existe pour poursuivre un tel transfert et, par conséquent, maintenir un courant, une fois l'équilibre atteint.

On pourrait se demander pourquoi le potentiel de contact n'apparaît pas dans la loi des tensions de Kirchhoff comme une contribution à la somme des chutes de potentiel. La réponse habituelle est que tout circuit implique non seulement une diode ou une jonction particulière, mais également tous les potentiels de contact dus au câblage et ainsi de suite autour de l'ensemble du circuit. La somme de tous les potentiels de contact est nulle, et ils peuvent donc être ignorés dans la loi de Kirchhoff.

Cellule photovoltaïque

Le fonctionnement d'une cellule solaire peut être compris à partir du circuit équivalent à droite. La lumière, d'énergie suffisante (supérieure à la bande interdite du matériau), crée des paires électron-trou mobiles dans un semi-conducteur. La séparation de charge se produit en raison d'un champ électrique préexistant associé à la jonction pn en équilibre thermique. (Ce champ électrique est créé à partir d'un potentiel intégré , qui résulte du potentiel de contact entre les deux matériaux différents dans la jonction.) La séparation de charge entre les trous positifs et les électrons négatifs à travers une jonction pn (une diode ) produit une tension directe , la tension photoélectrique , entre les bornes de diodes lumineuses, qui entraîne le courant à travers toute charge connectée. La photo tension est parfois appelée photo emf , faisant la distinction entre l'effet et la cause.

Le courant disponible sur le circuit externe est limité par les pertes internes I ₀ = I _SH + I _D :

Les pertes limitent le courant disponible pour le circuit externe. La séparation de charge induite par la lumière crée finalement un courant (appelé courant direct) I _{SH à} travers la jonction de la cellule dans la direction opposée à celle où la lumière entraîne le courant. De plus, la tension induite a tendance à polariser en direct la jonction. A des niveaux suffisamment élevés, cette polarisation directe de la jonction provoquera un courant direct, I _D dans la diode opposé à celui induit par la lumière. Par conséquent, le plus grand courant est obtenu dans des conditions de court-circuit et est noté I _L (pour le courant induit par la lumière) dans le circuit équivalent. Approximativement, ce même courant est obtenu pour des tensions directes jusqu'au point où la conduction de la diode devient importante.

Le courant délivré par la diode allumée, au circuit externe est :

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

où I ₀ est le courant de saturation inverse. Où les deux paramètres qui dépendent de la construction de la cellule solaire et dans une certaine mesure de la tension elle-même sont m , le facteur d'idéalité, et kT/q la tension thermique (environ 0,026 V à température ambiante). Cette relation est tracée sur la figure en utilisant une valeur fixe m  = 2. Dans des conditions de circuit ouvert (c'est-à-dire que I = 0), la tension en circuit ouvert est la tension à laquelle la polarisation directe de la jonction est suffisante pour que la courant équilibre complètement le photocourant. Résoudre ce qui précède pour la tension V et la désigner comme la tension en circuit ouvert de l' équation I-V :

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

ce qui est utile pour indiquer une dépendance logarithmique de V _oc sur le courant induit par la lumière. Typiquement, la tension en circuit ouvert ne dépasse pas environ 0,5 V.

Lors de l'entraînement d'une charge, la phototension est variable. Comme le montre la figure, pour une résistance de charge R _L , la cellule développe une tension comprise entre la valeur de court-circuit V  = 0, I  = I _L et la valeur de circuit ouvert V _oc , I  = 0, valeur donnée par la loi d' Ohm V  = IR _L , où le courant I est la différence entre le courant de court-circuit et le courant dû à la polarisation directe de la jonction, comme indiqué par le circuit équivalent (en négligeant les résistances parasites ).

Contrairement à la batterie, aux niveaux de courant délivrés au circuit externe près de I _L , la cellule solaire agit plus comme un générateur de courant que comme un générateur de tension (près de la partie verticale des deux courbes illustrées) Le courant consommé est presque fixe sur une gamme de tensions de charge, à un électron par photon converti . L' efficacité quantique , ou probabilité d'obtenir un électron de photocourant par photon incident, dépend non seulement de la cellule solaire elle-même, mais du spectre de la lumière.

Voir également

• Force contre-électromotrice
• Pile électrique
• Cellule électrochimique
• Cellule électrolytique
• Pile galvanique
• Pile voltaïque

Les références

Lectures complémentaires

• George F. Barker, " Sur la mesure de la force électromotrice ". Actes de l'American Philosophical Society tenus à Philadelphie pour la promotion des connaissances utiles, American Philosophical Society. 19 janvier 1883.
• Andrew Gray, "Mesures absolues en électricité et magnétisme", Force électromotrice . Macmillan et co., 1884.
• Charles Albert Perkins, "Les contours de l'électricité et du magnétisme", Mesure de la force électromotrice . Henry Holt et co., 1896.
• John Livingston Rutgers Morgan, "Les éléments de chimie physique", Force électromotrice . J. Wiley, 1899.
• "Abhandlungen zur Thermodynamik, von H. Helmholtz. Hrsg. von Max Planck". (Tr. "Documents de thermodynamique, sur H. Helmholtz. Hrsg. par Max Planck".) Leipzig, W. Engelmann, d'Ostwald auteur classique de la série des sciences exactes. Nouvelle conséquence. N° 124, 1902.
• Theodore William Richards et Gustavus Edward Behr, jr., "La force électromotrice du fer dans des conditions variables et l'effet de l'hydrogène occlus". Institution Carnegie de Washington série de publications, 1906. LCCN  07-3935
• Henry S. Carhart, "La force thermo-électromotrice dans les cellules électriques, la force thermo-électromotrice entre un métal et une solution d'un de ses sels". New York, D. Van Nostrand société, 1920. LCCN  20-20413
• Hazel Rossotti , "Applications chimiques de la potentiométrie". Londres, Princeton, NJ, Van Nostrand, 1969. ISBN  0-442-07048-9 LCCN  69-11985
• Nabendu S. Choudhury, 1973. "Mesures de force électromotrice sur des cellules impliquant un électrolyte solide d'alumine bêta" . Note technique de la NASA, D-7322.
• John O'M. Bockris ; Amulya KN Reddy (1973). "Électrodique" . Électrochimie moderne: Une introduction à un domaine interdisciplinaire (2 éd.). Springer. ISBN 978-0-306-25002-6.
• Roberts, Dana (1983). « Comment fonctionnent les piles : Un analogue gravitationnel ». Un m. J. Phys . 51 (9): 829. bibcode : 1983AmJPh..51..829R . doi : 10.1119/1.13128 .
• GW Burns, et al., « Fonctions et tableaux de référence de la force électromotrice de température pour les types de thermocouple désignés par lettre basés sur l'ITS-90 ». Gaithersburg, MD : Département américain du commerce, Institut national des normes et de la technologie, Washington, Supt. of Docs., USGPO, 1993.
• Norio Sato (1998). "Photoélectrodes semi-conductrices" . Électrochimie aux électrodes métalliques et semi-conductrices (2e éd.). Elsevier. p. 326 et suiv . ISBN 978-0-444-82806-4.
• Hai, Pham Nam; Oh, Shinobu ; Tanaka, Masaaki ; Barnes, Stewart E.; Maekawa, Sadamichi (2009-03-08). « Force électromotrice et énorme magnétorésistance dans les jonctions tunnel magnétiques ». Nature . 458 (7237) : 489–92. Bibcode : 2009Natur.458..489H . doi : 10.1038/nature07879 . PMID  19270681 . S2CID  4320209 .