Redigerer Elektromotorisk spenning (avsnitt)

==Forskjellige fysiske fenomener til elektromotorisk spenning==
===Kjemiske spenningskilder===
{{Hoved|Elektrokjemisk celle}}

[[File:Reaction path.JPG|thumb|En typisk reaksjonsprosess krever at reaksjonskomponenter krysser en energibarriere, går mot en mellomtilstand og til slutt dukker opp i et lavere energitilstand. Hvis ladningsseparasjon er involvert kan energiforskjellen resultere i en ems.<ref  name=Bergmann>{{cite book |title=Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei, and Particles | author=Nikolaus Risch | chapter=Molecules - bonds and reactions | editor=L Bergmann | display-editors=etal | isbn=0-8493-1202-7  | year=2002 | publisher=CRC Press |url=}}</ref>]]

[[File:Galvanic cell labeled.svg|thumb|[[Galvanisk celle]] med en [[saltbro]] skaper en ems som driver en strøm gjennom en ekstern elektrisk krets.]]

Spørsmålet om hvordan batterier ([[galvanisk celle|galvanisk cell]]er) generere en ems er en sak som har opptatt forskere gjennom det meste av det 1800-tallet. «Opphavet til den elektromotoriske spenning» ble til slutt funnet av [[Walther Nernst]] til å være primært i grenseflatene mellom  [[elektrode]]ne og [[elektrolytt]]en.<ref name=cajori>{{cite book | title=A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories | author=Florian Cajori | publisher=The Macmillan Company | year=1899 | pages=[https://archive.org/details/ahistoryphysics02cajogoog/page/n229 218]–219 | url=https://archive.org/details/ahistoryphysics02cajogoog}}</ref>

[[Molekyl]]er er grupper av [[atom]]er som holdes sammen på grunn av [[kjemisk binding]]er. Disse bindingene består av elektriske krefter mellom elektroner (negative) og protoner (positive). Et molekyl er isolert sett en stabil enhet, men om forskjellige stoffer bringes sammen vil noen  molekyler være i stand til å stjele elektroner fra andre, noe som resulterer i ladningsseparasjon. Denne omfordeling av ladninger blir ledsaget av en endring av energien til systemet, og en rekonfigurering av atomene i molekylene.

Prosessen der elektroner opptas kalles "[[reduksjon]]" og tap av elektroner kalles "[[oksidasjon]]". Reaksjoner hvor slik utveksling av elektron oppstår (som er grunnlaget for batterier) kalles  [[redoksreaksjon]]er. I et batteri er det en elektrode bestående av et materiale som får elektroner fra det oppløste stoffet, mens den andre elektroden mister elektroner. Dette på grunn av grunnleggende molekylære egenskaper. Den samme oppførsel kan sees for seg selv i atomer, der  deres evne til å «stjele» elektroner blir referert til som deres [[Elektronegativitet]]en.{{efn|Konseptet elektronegativitet har blitt utvidet til å omfatte begrepet [[elektro utjevning]]. Forestillingen går ut på at når molekylene er brakt sammen vil elektronene omorganisere seg for å oppnå en likevekt der det ikke er noen netto krafter på dem.<ref>{{cite book | title=Advanced organic chemistry | author=Francis A. Carey, Richard J. Sundberg | isbn=0-387-68346-1 | edition=5 | year=2007 |publisher=Springer | page=[https://archive.org/details/advancedorganicc00care_636/page/n38 11] | url=https://archive.org/details/advancedorganicc00care_636}}</ref>}}

Som et eksempel består en [[Daniellcellen|Daniellcelle]] av en [[anode]] av [[sink]] (en elektronsamler) som oppløses i en [[sinksulfat]]oppløsning. Den oppløste sinken forlater sine elektroner i elektroden i henhold til oksidasjonsreaksjonen:

:<math>\mathrm{Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2  e ^- \ } </math>

der ''s'' betyr faste elektrode og ''aq'' betyr vannoppløsning. Sinksulfatet er en [[elektrolytt]], som er en løsning hvor komponentene består av [[ion]]er, i dette tilfellet sinkioner <math>\mathrm{Zn}_{} ^{2+}</math>, og sulfationer <math>\mathrm{SO}_4^{2-}\ </math>.

Ved [[katode]]n vil [[kobber]]ioner i en [[kobbersulfat]]elektrolytt adoptere elektroner fra elektroden ved reduksjonsreaksjonen:

:<math> \mathrm{Cu^{2+}_{(aq)} + 2 e^- \rightarrow Cu_{(s)}\ } </math>

og således dannes nøytraliserte kopperplater på elektroden.{{efn|En detaljert diskusjon om den mikroskopiske prosessen med elektronoverføring mellom en elektrode og ioner i en elektrolytt som kan finnes i Conway.<ref>{{cite book |title=Electrochemical supercapacitors |author=BE Conway |chapter=Energy factors in relation to electrode potential |page=37 |url= |year=1999 |publisher=Springer}}</ref>}}

Elektronene passerer gjennom den ytre kretsen (lyspæren i figuren), mens ionene passerer gjennom saltbroen for å opprettholde ladningsbalanse. I prosessen blir sinkanoden oppløst, mens kobberelektroden blir belagt med kobber.<ref name=Tilley>{{cite book | title=Understanding Solids |url=https://archive.org/details/understandingsol00till| page=[https://archive.org/details/understandingsol00till/page/n280 267] | author=R. J. D. Tilley | isbn=0-470-85275-5 | year=2004 | publisher=Wiley}}</ref> Hvis lyspæren fjernes (åpen krets) vil ems mellom elektrodene bli  motarbeidet av det elektriske feltet på grunn ladningsseparasjon, dermed vil reaksjonene stoppe.

Volta utviklet det galvaniske element i 1792 og presenterte sitt arbeid den 20. mars 1800.<ref name=Mottelay>{{cite book | title=Bibliographical History of Electricity and Magnetism | author=Paul Fleury Mottelay | page=247 | url= | isbn=1-4437-2844-6 | publisher=Read Books |year=2008 | edition=Reprint of 1892}}</ref> Volta identifisert korrekt rollen som ulike elektroder har for å produsere spenning, men avvist feilaktig at elektrolytten skulle ha noen rolle.<ref name=Kragh>{{cite journal |journal=Nuova Voltiana:Studies on Volta and his times | publisher=Università degli studi di Pavia | year=2000 | url= | title=Confusion and Controversy: Nineteenth-century theories of the voltaic pile | author=Helge Kragh}}</ref> Volta stilte opp  metallene i det som er blitt kjent som ''[[spenningsrekke]]n'' det vil si i en rekkefølge slik at et element i listen blir positiv når det er i kontakt med et element lavere ned på listen, men negativt ved kontakt med et som står foran det.<ref name=Cumming>{{cite book | title=An Introduction to the Theory of Electricity | author=Linnaus Cumming  | url= | page=118 | isbn=0-559-20742-5 |publisher=BiblioBazaar | year=2008 |edition=Reprint of 1885}}</ref>

[[Michael Faraday]] oppdaget rundt 1830 at reaksjonene på hver av de to elektrode- elektrolyttgrenseflatene i et batteri gir opphav til ems i et galvanisk element, det vil si at kjemiske reaksjoner drive strømmen.<ref name=cajori/>

=== Elektromagnetisk induksjon ===
{{Hoved|Elektromagnetisk induksjon}}

[[File:Induction2.jpg|thumb|200px|En stav som beveges gjennom et magnetfelt får indusert en elektromotorisk spenning. Ved hjelp av et [[voltmeter]] kan denne spenningen måles. Tilknyttes en ekstern krets vil det også gå en strøm i den lukkede sløyfen.]]

Prinsippet for [[elektromagnetisk induksjon]] vil si at et tidsavhengig magnetisk felt frembringer et varierende elektrisk felt. Dette kan skje på forskjellige måter, for eksempel kan et tidsavhengig  magnetisk felt fremstilles ved bevegelse av en [[permanent magnet]] i nærheten av en elektrisk sløyfe. Andre muligheter er bevegelse av en krets i forhold til en annen krets, der minst en av disse må føre en strøm, eller ved å endre strømmen i en fast krets. Virkningen på kretsen selv av å endre strømmen er kjent som [[Induktans|selvinduksjon]], mens effekten på en annen krets som er kjent som [[elektromagnetisk induksjon#Gjensidig induksjon|gjensidig induksjon]] eller gjensidig induktans.

For en gitt krets blir den elektromagnetisk induserte ems bestemt utelukkende av hastigheten for forandring av den magnetiske fluks, samt av styrken av fluksen gjennom kretsen. Denne lovmessigheten er gitt av Faradays lov:

:<math> \mathcal{E} = -{{\mathrm{d}\Phi_B} \over \mathrm{d}t}</math>

hvor ''&Phi;<sub>B</sub>&thinsp;'' er den  [[magnetisk fluks|magnetiske flukstettheten]] som går gjennom kretsen. Uttrykket sier videre at den magnetiske flukstettheten må [[derivasjon|deriveres]] med hensyn på tiden. I praksis betyr det at ems bare blir skapt om det skjer en kontinuerlig forandring av magnetfeltet, dette løses i en generator med en rotor (polhjul) som roterer i senter av en stator der vindingene er anbrakt. Rotoren har magneter med vekselvis [[Den magnetiske nordpol|nordpoler]] og [[Den magnetiske sydpol|sørpoler]] langs sin periferi. Rotasjonen fører til at vindingene kontinuerlig utsettes for et varierende magnetfelt som fører til induksjon. Minustegnet i uttrykket over er forøvrig et uttrykk for [[Lenz' lov]].

===Kontaktpotensial===
Når to forskjellige faste stoffer er i kontakt med hverandre er det vanlig at [[termodynamisk likevekt]] krever at et av materialene få et høyere elektrisk potensial enn den andre. Det potensialet som oppstår kalles for ''[[kontaktpotensial]]''.<ref name=Trigg>{{cite book |title=Landmark experiments in twentieth century physics | author=George L. Trigg | page=[https://archive.org/details/landmarkexperime0000trig_c8t6/page/138 138]''ff'' | url=https://archive.org/details/landmarkexperime0000trig_c8t6| isbn=0-486-28526-X | year=1995 |publisher=Courier Dover | edition=Reprint of  Crane, Russak & Co 1975}}</ref> For eksempel vil ulike metaller som kommer i kontakt produsere det som er kjent  som kontaktelektromotorisk spenning eller [[Galvanipotensial]]. Størrelsen av denne potensialforskjellen blir ofte uttrykt som en forskjell i [[ferminivå]] i de to faste stoffene ved nøytral  ladning, hvor Ferminivå (et navn for [[kjemisk potensial]] for et elektronsystem<ref name=Rockett>{{cite book | title=Materials science of semiconductors | author=Angus Rockett | chapter=Diffusion and drift of carriers | page=74 ''ff'' | url= | isbn=0-387-25653-9 | year=2007 | publisher=Springer Science | location=New York, NY}}</ref><ref name=Kittel>{{cite book | title=Elementary Statistical Physics | author=Charles Kittel | url= | chapter=Chemical potential in external fields | page=67 | isbn=0-486-43514-8 |publisher=Courier Dover | year=2004 | edition=Reprint of Wiley 1958}}</ref>) beskriver den energien som er nødvendig for å fjerne et elektron fra materialet til et felles punkt (for eksempel jordpotensial).<ref name=Hanson>{{cite book |title=Fundamentals of Nanoelectronics |author=George W. Hanson |page=100 |url= |isbn=0-13-195708-2 |year=2007 |publisher=Prentice Hall}}</ref>)

Øyensynlig er det slik at hvis det er en energimessig fordel i å ta et elektron fra et legeme til et  annet vil en slik overføring vil finne sted. Overføringen medfører en kostnad separasjon med et objekt som får elektroner og et annet som mister elektroner. Denne overføringen av ladning fører til en potensialforskjell mellom de to legemene, som delvis kansellerer det potensialet som kommer fra kontakten. Dermed blir videre overføring av ladning vanskeligere desto mer ladningsseparasjonen  øker. Ved termodynamisk likevekt blir ferminivåene like (energien for å fjerne elektroner er  identisk), og det er nå et innebygd elektrostatisk potensial mellom objektene. Den opprinnelige forskjellen i ferminivået før kontakt er referert som ems.<ref name=Sato>{{cite book | title=Electrochemistry at metal and semiconductor electrodes | author=Norio Sato | page=[https://archive.org/details/electrochemistry00sato_450/page/n110 110]''ff'' |url=https://archive.org/details/electrochemistry00sato_450| isbn=0-444-82806-0 | year=1998 | publisher=Elsevier | edition=2nd |chapter=Semiconductor photoelectrodes}}</ref>

Kontaktpotensialet kan ikke drive noen kontinuerlig strøm gjennom en ekstern krets festet til eventuell terminaler til objektet. Årsaken er at det vil innebære en ladningsoverføring. Det finnes ingen mekanisme for å fortsette slik overføring, og dermed opprettholde en strøm etter at likevekt er oppnådd.

En kan spørre seg hvorfor kontaktpotensialet ikke vises i [[Kirchhoffs lover|Kirchhoff spenningslov]] som ett bidrag til summen av spenningsfall. Det vanlige svaret er at en hvilken som helst krets innebærer, ikke bare én bestemt diode eller én kontaktflate, men også alle kontaktpotensialene på grunn av ledninger videre rundt hele kretsen. Summen av alle kontaktpotensialene rundt kretsen er null, dermed kan de ignoreres i praktisk bruk av Kirchhoffs spenningslov.<ref name=Quimby>{{cite book | title=Photonics and lasers | author=Richard S. Quimby | page=[https://archive.org/details/photonicslasers00quim/page/n181 176] | url=https://archive.org/details/photonicslasers00quim| publisher=Wiley | year=2006}}</ref><ref name=Neamen>{{cite book |title=Semiconductor physics and devices | author=Donald A. Neamen | url= | page=240 | year=2002 | isbn=0-07-232107-5 | publisher=McGraw-Hill Professional | edition=3rd}}</ref>

=== Solcelle ===
[[File:Solar Panels.jpg|thumb|Solceller består av forskjellig halvledermateriale med [[PN-overgang]]er som ved belysning fører til fotovoltaisk spenning, som i neste omgang skaper elektromotorisk spenning.]]

Lys med tilstrekkelig energi vil danne mobile ''[[elektronhullpar]]'' i en halvleder. En solcelle er laget av forskjellige materialer av [[halvleder]]e slik at det oppstår en såkalt [[pn-overgang]] mellom dem. Ladningsseparasjon oppstår på grunn av et elektrisk felt i forbindelse med pn-overgangen som er i termisk likevekt (altså at selve kontaktpotensialet skaper det elektriske feltet). Disse elektriske feltene i forbindelse med pn-overgangen var til stede allerede før solcellen ble belyst. Denne ladningsseparasjonen skiller positive ''elektronhull'' og negative elektroner over pn-overgangen (en [[diode]]) noe som gir en ''forover spenning'' eller ''fotovoltaisk  spenningen'' mellom de opplyste diodeterminalene.<ref name=Dhir>{{cite book | title=Electronic Components and Materials: Principles, Manufacture and Maintenance | author=S M Dhir | url= | chapter=§3.1 Solar cells | publisher=Tata McGraw-Hill | year=2000 | isbn=0-07-463082-2}}</ref> Den fotoelektrisk spenningen blir som nevnt også referert til som fotoelektrisk ems.

Dioden besitter et ''innebygd potensial'' på grunn av kontaktpotensialforskjellen mellom de to forskjellige materialene på hver side av PN-overgangen. Når dette er etablert kan denne spenningsforskjell ikke drive en strøm, men om en ekstern krets tilknyttes vil den ikke forstyrre denne likevekten. Derimot drives strømmen av akkumulering av overskuddselektroner i en region og av overskuddshuller en annen region. På grunn av belysningen resulterer dette i at det oppstår en fotoelektriske spenning, altså ems. Denne ems driver en strøm når en last er tilknyttet til den belyste fotocellen. Den fotoelektriske spenningen føre til ''forward bias'' i PN-overgangen, og dermed reduseres det pre-eksisterende elektriske feltet i ''utarmingsområdet''.