Электромотивность

Электромотивность — это свойство вещества или системы, характеризующее способность генерировать электрический ток под действием внешних факторов (химических, тепловых, световых, механических) или за счёт внутренних процессов, не связанных с приложенным извне электрическим полем. Термин часто используется как синоним понятия «электродвижущая сила» (ЭДС) применительно к источникам тока, однако в более широком смысле электромотивность описывает эффективность преобразования энергии неэлектрической природы в электрическую. В технике и физике под электромотивностью понимают также способность материала или устройства создавать разность потенциалов на своих выводах.

История

Первые наблюдения электромотивности относятся к античности: Фалес Милетский заметил, что янтарь, потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы (электростатика). Однако систематическое изучение началось в XVIII веке. В 1745 году Эвальд Георг фон Клейст и независимо от него Питер ван Мушенбрук создали лейденскую банку — первый конденсатор, способный накапливать электрический заряд. В 1800 году Алессандро Вольта изобрёл вольтов столб — первый химический источник тока, продемонстрировав электромотивность гальванической пары. В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, что привело к созданию генераторов и трансформаторов. В 1839 году Эдмон Беккерель обнаружил фотоэффект в электролитах, положив начало изучению фотоэлектромотивности. В 1887 году Генрих Герц экспериментально подтвердил фотоэффект, а в 1905 году Альберт Эйнштейн дал его теоретическое объяснение, за что получил Нобелевскую премию. В XX веке развитие полупроводниковой электроники привело к созданию солнечных батарей, термоэлектрических генераторов и пьезоэлементов.

Физическая природа

Электромотивность возникает за счёт разделения электрических зарядов внутри вещества или на границе раздела сред. Причинами могут быть:

• Химические реакции — окислительно-восстановительные процессы в гальванических элементах и аккумуляторах.
• Тепловые градиенты — эффект Зеебека в термопарах.
• Световое излучение — внутренний фотоэффект в полупроводниках.
• Механические деформации — прямой пьезоэффект в кристаллах (кварц, турмалин).
• Электромагнитная индукция — изменение магнитного потока в проводящем контуре.

Классификация источников электромотивности

По типу преобразуемой энергии источники делятся на несколько основных групп.

Химические источники тока

• Гальванические элементы — одноразовые батарейки (например, угольно-цинковые, щелочные).
• Аккумуляторы — перезаряжаемые устройства (свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-металлогидридные).
• Топливные элементы — непрерывно преобразуют химическую энергию топлива (водорода, метанола) в электричество.

Термоэлектрические преобразователи

• Термопары — спай двух разнородных металлов, создающий ЭДС при разности температур.
• Термоэлектрические генераторы — на основе полупроводников (например, теллурид висмута), используются в космических аппаратах (радиоизотопные термоэлектрические генераторы).

Фотоэлектрические преобразователи

• Солнечные элементы — на основе кремния, арсенида галлия, перовскитов.
• Фотодиоды — для детектирования света, работают в режиме фотогенерации.

Пьезоэлектрические генераторы

• Пьезоэлементы — из кварца, керамики (цирконат-титанат свинца), полимеров (PVDF). Используются в зажигалках, датчиках давления, ультразвуковых излучателях.

Электромагнитные генераторы

• Динамо-машины — преобразуют механическую энергию вращения в электрическую.
• Альтернаторы — автомобильные генераторы переменного тока.
• Индукционные генераторы — на основе вращающегося магнитного поля.

Характеристики

Основные параметры, описывающие электромотивность источника:

• Электродвижущая сила (ЭДС) — разность потенциалов на выводах источника в разомкнутой цепи, измеряется в вольтах (В).
• Внутреннее сопротивление — сопротивление источника току, измеряется в омах (Ом).
• Мощность — максимальная электрическая мощность, которую источник может отдать в нагрузку, измеряется в ваттах (Вт).
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезной электрической энергии к затраченной энергии неэлектрического вида.
• Срок службы — для химических источников — количество циклов заряда-разряда или время работы до исчерпания ресурса.

Применение

Электромотивность лежит в основе работы практически всех современных устройств, потребляющих или генерирующих электричество:

• Бытовая электроника — батарейки, аккумуляторы для телефонов, ноутбуков, фонариков.
• Транспорт — стартерные аккумуляторы автомобилей, тяговые батареи электромобилей, топливные элементы в автобусах.
• Энергетика — солнечные панели, ветрогенераторы, гидротурбины, тепловые электростанции.
• Промышленность — пьезодатчики, термопары в системах контроля температуры, гальванические элементы в резервном питании.
• Медицина — кардиостимуляторы (литий-ионные батареи), слуховые аппараты, инсулиновые помпы.
• Космос — радиоизотопные термоэлектрические генераторы на спутниках и зондах (например, «Вояджер», «Кассини»).
• Научные исследования — эталонные элементы Вестона для калибровки вольтметров, фотоэлементы в спектроскопии.

Интересные факты

• Первый в мире аккумулятор (свинцово-кислотный) был изобретён в 1859 году французским физиком Гастоном Планте.
• Самый мощный в мире термоэлектрический генератор (радиоизотопный) — в составе миссии «Новые горизонты» (2006), обеспечивал энергией аппарат при пролёте Плутона.
• Пьезоэлектрические зажигалки не требуют батареек — искра создаётся ударом по кристаллу.
• КПД современных солнечных батарей на основе кремния составляет около 20–22%, а перовскитные элементы в лабораторных условиях достигают 33%.
• В 2023 году российские учёные из МФТИ разработали гибкие термоэлектрические генераторы на основе графена, способные вырабатывать электричество от тепла тела человека.

Критика и ограничения

• Химические источники тока содержат токсичные вещества (свинец, кадмий, ртуть), требующие утилизации.
• Солнечные батареи зависят от погоды и времени суток, требуют накопителей энергии.
• Термоэлектрические генераторы имеют низкий КПД (обычно 5–10%) из-за тепловых потерь.
• Пьезоэлектрические устройства генерируют малые токи, пригодные только для микроэлектроники.
• Электромагнитные генераторы (ветряки, гидротурбины) оказывают воздействие на экосистемы (шум, гибель птиц, изменение русел рек).

Источники

• Физическая энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998.
• Калашников С. Г. Электричество. — М.: Физматлит, 2003.
• Химические источники тока / под ред. Н. В. Коровина. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Пьезоэлектрические преобразователи / под ред. В. А. Голенищева-Кутузова. — М.: Наука, 1985.
• Термоэлектрические генераторы / В. А. Котенёв, В. И. Лебедев. — М.: Энергия, 1976.
• Солнечная энергетика / А. П. Ландсберг, В. И. Стрельцов. — М.: МЭИ, 2010.
• Доклады МФТИ о гибких термоэлектрических генераторах, 2023.