Redigerer Elektromotorisk spenning (avsnitt)

==Opphavet til elektromotorisk spenning==
[[File:Electromotive Force for an ideal voltage source.jpg|thumb|Spenningen ''ℰ'' mellom terminalene i en spenningskilde er en potensialforskjell i et elektrisk felt <math>\scriptstyle \vec{E}</math>. Det virker en kraft på ladningene i spenningskilden, her markert som en positivt ladet partikkel, <math>\scriptstyle \vec{F_n}</math> som fører til ladningsseparasjon. Årsaken til denne kraften kan være [[elektromagnetisk induksjon|induksjon]] eller en [[kjemisk prosess]]. Ladningsseparasjon fører i neste omgang til at det skapes et [[elektrisk felt]] ''E'' som påvirker ladningen med en motsatt rettet kraft <math>\scriptstyle \vec{F_e}</math> som er like stor og motsatt rettet av den første kraften. Dette gjelder når spenningskilden ikke er del av en sluttet krets, som i det øverste bilde.<br /> I bildet under er det tilknyttet en ekstern krets med en lyspære, og det elektriske feltet går gjennom lederen og får frie ladninger til å bevege seg i en [[elektrisk strøm]]. I en reel spenningskilde vil U<sub>ab</sub> reduseres når en elektrisk krets tilknyttes, dermed vil også <math>\scriptstyle \vec{F_n}</math> bli redusert og <math>\scriptstyle \vec{F_n} > \scriptstyle \vec{F_e}</math>. Dermed utfører kraften <math>\scriptstyle \vec{F_n}</math> et arbeid på ladningen.<br /> Bildene her viser en ideell spenningskilde der det ikke eksisterer [[indre motstand]], dermed vil kreftene være like store, altså <math>\scriptstyle \vec{F_n} = \scriptstyle \vec{F_e}</math> selv om det er tilknyttet en ekstern krets.]]

For å gi en forklaring på opphavet til elektromotorisk spenning er det vanlig å betrakte en ideell spenningskilde. Se illustrasjon til høyre, øverste bilde, som viser en konseptuell fremstilling av en kilde til ems. Denne har to terminaler merket ''a'' og ''b'', der ''a'' er markert med «+» som betyr at den har høyere elektrisk potensial enn terminal ''b'' med merke «–». Det er et elektrisk felt <math>\scriptstyle \vec{E}</math> som virker mellom terminalene til spenningskilde. Et elektrisk felt betraktes som et [[vektorfelt]], derfor er det brukt pil over symbolet. Retningen av feltet er definert til å gå fra terminal a til b, som figuren viser. Figuren lar en ladning symboliseres alle ladningene som befinner seg i spenningskilden, denne er vist som en kule. Ladningen som er positiv blir påvirket av feltet, dermed virker det en elektrisk kraft på ladningen som kan uttrykkes som <math>\scriptstyle \vec{F}_e = q \vec{E}</math>. I tillegg virker en annen kraft på ladningen som er motsatt rettet, og har et opphav som ikke er elektrostatisk, i figuren er denne markert som <math>\scriptstyle \vec{F}_n</math>.<ref name=YL858>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 858.]]</ref>

Hva som er opphavet til kraften <math>\scriptstyle \vec{F}_n</math> avhenger av hvilken spenningskilde en har å gjøre med. Er det for eksempel snakk om en generator er årsaken magnetiske krefter som virker på ladninger i bevegelse, den såkalte [[Lorentzkraft]]en. For øvrig kalles dette  induksjon. I et batteri er årsaken kjemiske prosesser som forårsaker varierende elektrolyttkonsentrasjoner.<ref name=YL858/> Sagt på en annen måte er det ladningsseparasjon på grunn av de nevnte fenomenene induksjon eller elektrolytiske prosesser, som er årsaken til det elektrisk feltet.{{efn|Forklaringen her går rett på en diskusjon av begrepet ems uten å si så mye om hva som er årsak og virkning. Det er  kraften (induksjon, elektrokjemisk, etcetera) som forårsaker ladningsseparasjon og som ikke er av elektrostatisk natur, som er selve den opprinnelige årsaken til ems. I artikkel [[Elektromagnetisk induksjon]] er forklaringen mer orientert om årsak og virkning.}}

Det som er spesielt med denne kraften <math>\scriptstyle \vec{F}_n</math> er at den virker i motsatt retning av kraften på ladningen forårsaket av det elektriske feltet. Som tegningen også viser er disse kreftene like store og motsatt rettet. Den kraften som ikke har et elektrostatisk opphav opprettholder potensialforskjellen mellom terminalene. Om denne kraften ikke var til stede ville ladninger bevege seg mellom terminalene til potensialet ble null.<ref name=YL858/>

Om den positive ladningen q blir beveget fra terminal b til a inne i spenningkilden, vil kraften  <math>\scriptstyle \vec{F}_n</math> utføre et arbeid på ladningen som er lik <math>\scriptstyle{W}_n = q \mathcal{E}</math> Denne forflytningen er i motsatt retning av den elektrostatiske kraften <math>\scriptstyle \vec{F}_e</math>, dermed vil ladningens potensielle energi øke med ''qU<sub>ab</sub>'', der ''U<sub>ab</sub> = U<sub>a</sub> - U<sub>b</sub>'', altså spenningen mellom terminalene. Kreftene <math>\scriptstyle \vec{F}_e</math> og <math>\scriptstyle \vec{F}_n</math> er som nevnt like i størrelse, men motsatt rettet, dermed vil  ladningens potensielle energi øke, mens den kinetiske energien er uforandret. Dermed kan en si at økningen av potensiell energi er lik arbeidet utført av feltet som ikke har elektrostatisk opphav. Dermed er <math>q \mathcal{E} = qU_{ab}</math>. Ut fra dette kommer den viktige definisjonen:

:<math>\mathcal{E} = U_{ab}</math>

som bare gjelder for en ideell spenningskilde.<ref name=YL858/>

Om en nå tilknytter spenningskilden til en ekstern krets vil det kunne gå strøm i kretsen, se illustrasjonens nederste bilde, der det nå er tilknyttet en lyspære via [[elektrisk leder|ledninger]]. Potensialforskjellen mellom terminalene a og b skaper et elektrisk felt gjennom lederen og belastningen (lyspæren). Dette elektriske feltet virker med en kraft på alle frie ladninger i kretsen, dermed går det en elektrisk strøm fra høyere (+) til lavere (-) potensial. Lyspæren og lederen vil ha en gitt [[elektrisk motstand]] R, dermed vil  potensialforskjellen mellom terminalene til den eksterne kretsen være gitt av [[Ohms lov]] slik<ref name=YL858/>:

:<math>\mathcal{E} = U_{ab} = IR</math>

der ''I'' er strømmen som går i kretsen. Spenningsfallet i kretsen er altså nøyaktig lik  spenningsøkningen som ''ℰ''  skaper, men med motsatt fortegn.<ref name=YL858/>

I en virkelig spenningskilde vil det være en motstand også i spenningskilden, som nevnt kalles denne indre motstand. Denne forårsaker at spenningen mellom terminalene synker ved belastning. Om den indre motstanden er konstant vil forholdet mellom belastningsstrøm og klemmespenning ''U<sub>ab</sub>'' følge Ohms lov. Dermed vil klemmespenningen falle [[linearitet|lineær]]t med økende belastning. For en virkelig spenningskilde kan ems bare måles direkte når spenningskilden er ubelastet.<ref>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 859.]]</ref> Ofte kalles denne spenningen for ''tomgangsspenningen''. I figuren er det vist en positiv ladning, og dermed harmonerer kraftvektorene og strømmens retning med det en kaller for den [[Strømretning|klassiske strømretningen]]. At elektronene egentlig er negative får liten betydning, annet enn at disse egentlig beveger seg fra negativ til positiv terminal.