Źródło EMF z zamkniętym obwodem zewnętrznym

Przyczyną rozdzielania się ładunków i powodowania ich ruchu w obwodzie zamkniętym jest siła elektromotoryczna (emf, emf).

Wartość pola elektromagnetycznego dowolnego źródła, w którym zachodzi separacja ładunku, jest szacowana na podstawie pracy wykonanej przez pole, aby przenieść ładunek jednostkowy z elektrody o niższym potencjale do elektrody o wyższym potencjale.

Zgodnie z definicją potencjału praca ta jest równa różnicy potencjałów rozdzielonych ładunków, która podobnie jak przyczyna rozdzielenia ładunków nazywana jest siła elektromotoryczna.

Jeśli cęgi źródłowe są podłączone do przewodzącego ciała i tworzą w ten sposób obwód zamknięty, zostanie on ustanowiony Elektryczność, którego kierunek pokrywa się w obwodzie zewnętrznym z kierunkiem pola elektromagnetycznego. Wewnątrz źródła cały czas zachodzi separacja ładunków i utrzymywana jest różnica potencjałów.

Ruch naładowanych cząstek w obecności prądu ma ten sam kierunek w całym obwodzie zamkniętym, a pracę wykonaną przez pole, aby przesunąć ładunek jednostkowy wzdłuż obwodu zamkniętego, można oszacować wartością, która jest również równa pracy siły wewnątrz źródeł, które przenoszą ładunek jednostkowy z elektrody ujemnej na elektrodę dodatnią w stosunku do sił pole elektryczne.

W prądzie stałym ładunki skupione na elektrodach źródła są stale odnawiane, a pole wokół elektrod wywołane przez te ładunki ma taki sam charakter jak w otwartym obwodzie zewnętrznym: jest potencjałem. W przeciwieństwie do pola elektrostatycznego stale regenerowanych ładunków, nazywa się je polem stacjonarnym.

Pole stacjonarne różni się od pola elektrostatycznego nie tylko tym, że ładunek źródła tego pola jest stale przywracany, ale także tym, że takie pole znajduje się zarówno wokół ciał przewodzących, jak i wewnątrz tych ciał. Dla pola stacjonarnego, które ma taki sam charakter jak pole potencjalne, dla dowolnej zamkniętej pętli, która nie przechodzi przez źródło EMF.

Odwołując się do analogii hydrodynamicznej w przypadku zamkniętego obwodu zewnętrznego źródła PEM, musimy sobie wyobrazić działanie układu hydraulicznego z otwartą rurą spustową, w której, powiedzmy, znajduje się pewien odbiornik (silnik hydrauliczny). Aby utrzymać stałą różnicę poziomów między zbiornikami, pompa musi uzupełniać ilość cieczy w górnym zbiorniku, która przepływa rurą spustową.

Praca wykonana przez silnik na podniesienie tej ilości cieczy jest proporcjonalna do różnicy poziomów i można ją scharakteryzować wartością tej różnicy. Praca wykonana przez przepływ płynu przy opadaniu z górnego poziomu na dolny jest proporcjonalna do tej samej różnicy poziomów i, jeśli nie dopuszcza się strat, jest równa pracy wykonanej przez silnik.

Siła elektromotoryczna w wielu źródłach jest praktycznie niezależna od wartości prądu elektrycznego w obwodzie, dlatego często przyjmuje się, że pozostaje taka sama zarówno podczas pracy na biegu jałowym źródła, jak i przy pełnym obciążeniu. Jednak z reguły EMF podczas ładowania źródła różni się nieco od wartości EMF na biegu jałowym (zwykle mniej).

Zmianę pola elektromagnetycznego w tym przypadku tłumaczy się tak zwaną reakcją źródłową. Na przykład, w chemicznych źródłach pola elektromagnetycznego obserwuje się jego spadek w związku ze zjawiskiem polaryzacji, w generatorach maszyn elektrycznych — w wyniku nałożenia na pole magnetyczne prądu obciążenia skierowanego w kierunku przeciwnym do pola magnetycznego.

Różnica potencjałów między poszczególnymi punktami obwodu elektrycznego zależy od rozkładu napięcia wzdłuż obwodu. W szczególności różnica potencjałów między zaciskami źródła zależy od stosunku rezystancji zewnętrznej do wewnętrznej źródła, czyli tzw. wewnętrznego spadku napięcia.

Siła elektromotoryczna może być skoncentrowana na skrajnie ograniczonym odcinku obwodu elektrycznego w skoku (który występuje np. nad jakąś częścią wewnętrznego obwodu źródłowego.

Z tym ostatnim przypadkiem spotykamy się w generatorach maszyn elektrycznych, gdzie na znacznej długości drutów poruszających się w polu magnetycznym indukuje się SEM, a całkowita SEM jest sumą elementarnych SEM indukowanych w poszczególnych odcinkach obwodu. Suma tych wartości jest równa różnicy potencjałów między początkiem a końcem przewodów.

W analizie i obliczeniach obwodów elektrycznych zawierających pole elektromagnetyczne często przyjmuje się, że pole elektromagnetyczne ma charakter skoncentrowany. Obecność rezystancji wewnętrznej źródła uwzględnia się wprowadzając dodatkową rezystancję włączenia.

Ponieważ EMF charakteryzuje przemianę jednego lub drugiego rodzaju energii w energię elektryczną podczas przepływu prądu, mówiąc o źródłach pola elektromagnetycznego lub prądu, używa się również terminu „źródło energii (elektrycznej)”. Wszystkie te terminy są synonimami, jeśli chodzi o rzeczywiste źródła.

Czasami, gdy obliczają i analizują obwody elektryczne, robią różnicę źródła prądu i źródła pola elektromagnetycznego.

Przez źródło EMF rozumie się takie źródło energii, którego SEM można uznać za niezależne od wartości rezystancji wewnętrznej, a SEM takiego źródła musi dążyć do nieskończoności. Czasami osiąga się to poprzez schematyczne rozwiązania, zastosowanie urządzeń stabilizujących itp.