Força eletromotriz

A força eletromotriz (fem), ou eletromotância , é um dos parâmetros característicos de um gerador elétrico . É, ao contrário do que seu nome sugere, homogêneo a uma voltagem e é expresso em volts . Em um circuito elétrico, para colocar cargas em movimento, é necessário fornecer trabalho, e a força eletromotriz corresponde ao trabalho que um gerador fornece ao circuito por unidade de carga. Essa força é mais frequentemente fornecida por um gerador elétrico , que impõe uma voltagem elétrica em seus terminais. Nesse caso, a força eletromotriz está associada a um componente pontual. No caso da indução eletromagnética , a força eletromotriz freqüentemente assume a forma de uma força eletromotriz de retorno , opondo-se em sua direção oposta ao estabelecimento de um campo magnético . Nesse caso, é distribuída por todo o circuito, a força eletromotriz é associada a uma malha do circuito e resulta da integral curvilínea nesta malha da força eletromagnética induzida em cada elemento de comprimento pela variação de o campo magnético .

Definição

Para um gerador atravessado por uma corrente de intensidade i e convertendo em energia elétrica, uma energia W durante o tempo t , a força eletromotriz é a razão . Introduzido inicialmente por Volta para as células voltaicas , o conceito de força eletromotriz de direção oposta à rotação da intensidade tem por base etimológica o “acionamento das cargas elétricas”. ${\ textstyle e = {\ frac {W} {i \, t}}}$

Para geradores eletroquímicos, a força eletromotriz é idêntica à tensão sem carga: quando plotamos a característica tensão-corrente de um gerador de tensão CC, a força eletromotriz é a interceptação y do gráfico. Como o circuito elétrico passa pelo próprio gerador, parte desse trabalho é sempre dissipado dentro do gerador. A energia fornecida ao resto do circuito é menor do que a convertida em energia elétrica, resultando na tensão no gerador menor que sua força eletromotriz.

Como resultado do desenvolvimento das máquinas elétricas, o prazo foi estendido e a definição ampliada. Assim, para geradores eletromecânicos, a força eletromotriz, às vezes chamada de força eletromotriz de indução , é a circulação do campo eletromecânico ligada ao fenômeno da indução eletromagnética .

No caso de um gerador, esse trabalho promove efetivamente a circulação de cargas elétricas. Sempre vem de um sistema que converte energia de uma forma diferente da elétrica em energia elétrica.
No caso de um receptor, esta obra se opõe a essa circulação. É transformado em uma energia diferente da energia elétrica. A voltagem que representa essa energia por unidade de carga é às vezes chamada de força contra-eletromotriz (fem).

Força eletromotriz e força contra-eletromotriz

A distinção entre força eletromotriz de indução e força contra-eletromotriz de indução é artificial: o fenômeno é único.

Se a corrente, que efetivamente circula no condutor, o faz de acordo com a direção que lhe permite se opor à variação do fluxo, então dizemos que se trata de uma fem: esta fem é (às vezes em parte) um gerador da corrente fluindo.
Se a corrente flui na outra direção, pode ser chamada de força contra-eletromotriz (mas não é uma obrigação) porque tende a se opor ao fluxo da corrente. Essa corrente na direção oposta só pode existir se houver outra fonte de tensão no circuito que se oponha à fem e que forneça um valor de tensão maior que esta.

Indução e equação de Maxwell

Quando o fluxo do campo magnético que passa por um circuito condutor varia ao longo do tempo, uma tensão induzida aparece neste circuito. A tensão assim criada é orientada de forma a gerar correntes contrárias à variação do fluxo. Diz-se, portanto, que se opõe à variação do fluxo. A variação no fluxo do campo magnético pode ter duas causas (não exclusivas):

Ou o circuito está sujeito a um campo fixo, mas está deformado ou é forçado a girar (caso de máquinas de corrente contínua ).
Ou o circuito é estacionário e a intensidade do campo magnético varia ou gira (caso dos alternadores ).

A existência de emf segue de uma das equações de Maxwell, a equação de Maxwell-Faraday. A forma local desta equação é:

arrotar→E→=-∂B→∂t{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ operatorname {rot}}} \; {\ vec {E}} = - {\ frac {\ partial {\ vec {B}}} {\ partial t}}}

{\ displaystyle \ overrightarrow {\ operatorname {rot}} \; {\ vec E} = - {\ frac {\ parcial {\ vec B}} {\ parcial t}}}

onde é o campo elétrico induzido pela variação do campo magnético .

{\ vec {E}}

{\ vec {B}}

Por integração ao longo de um contorno condutivo C, obtemos

e=∮VSE→⋅dℓ→=-dϕdt{\ displaystyle e = \ anoint _ {C} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}} = - {\ frac {\ mathrm {d} \ phi} {\ mathrm {d} t}}}

{\ displaystyle e = \ anoint _ {C} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}} = - {\ frac {\ mathrm {d} \ phi} {\ mathrm {d} t}}}

onde e é a fem e ϕ é o fluxo magnético que passa pelo circuito elétrico.

Termodinâmica

A força eletromotriz e é uma carga unitária por trabalho, o produto da força eletromotriz E pela quantidade de carga q é o trabalho termodinâmico recebido pelas cargas à medida que passam pelo gerador. Este trabalho pode ser levado em consideração na variação da entalpia livre G

dG=-S⋅dT+V⋅dP+e⋅dq{\ displaystyle \ mathrm {d} G = -S \ cdot \ mathrm {d} T + V \ cdot \ mathrm {d} P + e \ cdot \ mathrm {d} q}

{\ displaystyle \ mathrm {d} G = -S \ cdot \ mathrm {d} T + V \ cdot \ mathrm {d} P + e \ cdot \ mathrm {d} q}

Deste ponto de vista, a fem e a carga são duas variáveis conjugadas termodinamicamente. No caso de geradores eletroquímicos, e a pressão constante, a relação precedente leva a uma relação de Maxwell que relaciona a variação da tensão sem carga (ou seja, para uma carga transferida zero) em função da temperatura na variação da entropia quando a carga é transferida isotermicamente:

(∂e∂T)q=-(∂S∂q)T{\ displaystyle \ left ({\ frac {\ partial e} {\ partial T}} \ right) _ {q} = - \ left ({\ frac {\ partial S} {\ partial q}} \ right) _ {T}}

{\ displaystyle \ left ({\ frac {\ partial e} {\ partial T}} \ right) _ {q} = - \ left ({\ frac {\ partial S} {\ partial q}} \ right) _ {T}}

O segundo termo dessa relação está diretamente relacionado à entropia de reação Δ r S do processo eletroquímico que fornece energia ao gerador.

Notas e referências

Notas

Daí a preferência de alguns autores pelo uso do termo eletromotância ao invés de força eletromotriz.

Referências

Física XXI Volume B: Eletricidade e magnetismo . Marc Séguin, ERPI , 2010, página 213.
Élie Lévy, Dicionário de Física , PUF , 1988, Paris, página 345.
Dicionário de Física . Richard Taillet, Loïc Villain, Pascal Febvre. 2 nd edição. De Boeck, 2009, página 234.