برای بالا بردن آب از سطح تا ارتفاع معینی، نیاز به یک تلمبه یا پمپ آب است. بدین صورت، آب انرژی پتانسیل لازم برای جریان یافتن و انجام کار معین را کسب می کند (مانند شکل بالا). به همین ترتیب برای ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی، نیاز به یک منبع نیروی محرکه الکتریکی داریم.
به صورت مشابه، برای اینکه بارهای الکتریکی را از یک مقاومت الکتریکی عبور دهیم، لازم است بین دو سر مقاومت اختلاف پتانسیل اعمال کنیم. این کار را می توان توسط باتری انجام داد. به وسیله ای که با انجام کار روی بارهای الکتریکی، جریان ثابتی از بارهای الکتریکی در مدار ایجاد می کنند، منبع نیروی محرکه الکتریکی می گویند. ( مانند پمپ آب در مثال بالا) . منبع نیروی محرکه الکتریکی (مثلا باتری)، بارهای الکتریکی مثبت را در خلاف جهت میدان الکتریکی از پتانسیل پایین تر به پتانسیل بالاتر می برند. بنابر این آنها انرژی پتانسیل بالایی پیدا می کنند و تمایل دارند تا با حرکت، خود را به پتانسیل پایین تر برسانند و بنابر این جریان در مدار برقرار می شود.
نیروی محرکه الکتریکی
انرژی لازم برای ایجاد اختلاف پتانسیل در منبع نیروی محرکه از روش های مختلفی به دست می آید مثلا از طریق واکنش های شیمیایی در باتری. از منابع نیروی محرکه الکتریکی می توان پیل های سوختی و سلول های خورشیدی را نام برد.
 
منبع نیروی محرکه الکتریکی، وسیله ایست که با انجام کار روی بار الکتریکی، اختلاف پتانسیل را ثابت نگه می دارد .
نیروی محرکه الکتریکی (emf)، عبارت است از کاری که روی واحد بار مثبت انجام می شود تا آن را از پایانه ای با پتانسیل کمتر به پایانه ای با پتانسیل بیشتر ببرد .
یکای کمیت نیروی محرکه ی الکتریکی همان یکای اختلاف پتانسیل الکتریکی یعنی ولت است (۱V=1J/1C). اگر نیروی محرکه یک باتری ۱٫۵ ولت باشد، به این معناست که باتری روی هر کولن باری که از آن می گذرد ۱٫۵ ژول کار انجام می دهد و به این ترتیب انرژی پتانسیل الکتریکی آن را ۱٫۵ ژول افزایش می دهد.
منبع نیروی محرکه ی الکتریکی را در مدارها به صورت زیر نشان می دهند :
و اختلاف پتانسیل الکتریکی دو سر مولد از رابطه زیر بدست می آید :
که در این رابطه r مقاومت درونی مولد است و I شدت جریانی است که مولد ایجاد کرده است . و جمله ی Ir ، افت پتانسیل در مولد است .
البته در صورتی که جریان اصلی مدار در خلاف جهت جریان مولدی باشد ، اختلاف پتانسیل آن از رابطه زیر بدست می آید :
در صورتی که مولدی r نداشته باشد، به ان مولد آرمانی گوییم و آنرا در مدار به صورت زیر نشان می دهند.
با توجه به اینکه هر مولد دارای مقاومت درونی است و در آن افت پتانسیل روی می دهد ، می توان برای آن بازده تعریف کرد :
اگر یک مدار تک حلقه مطابق شکل زیر داشته باشیم که در آن R مقاومت معادل مدار است.
انرژی ایجاد شده توسط یاتری را مقاومت معادل مدار مصرف می کند (در صورتی که سیم های رابط بدون مقاومت باشند). یعنی:
جریان در این مدار از رابطه زیر بدست می آید.
نمودار تغییرات اختلاف پتانسیل دو سر مولد بر حسب جریان گذرنده از آن برای مولدی که خودش جریان در مدار را ایجاد می کند، به صورت زیر خواهد بود.
شیب خط این نمودار (-r) است.
نمودار تغییرات اختلاف پتانسیل دو سر مولد بر حسب جریان گذرنده از آن برای مولدی که مخالف جهت جریان اصلی مدار بسته شده است، به صورت زیر خواهد بود.(مخصوص رشته ریاضی و فیزیک)
شیب خط این نمودار (+r) است.
ویدیو آموزشی نیروی محرکه الکتریکی
این ویدیو آموزشی مخصوص دانش آموزان پایه یازدهم رشته علوم تجربی است که البته دانش آموزان رشته ریاضی و فیزیک هم می توانند از آن استفاده کنند. دانش آموزان رشته ریاضی حتما ویدیو موجود در مبحث جمع جبری اختلاف پتانسیل ها را برای این مبحث مشاهده کنند.
این ویدیو توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
مثال ۱ :
حل مثال ۱ :
توان خروجی منبع نیروی محرکه الکتریکی
توان خروجی مولد از رابطه ی زیر بدست می آید.
جمله اول این رابطه ، توان تولیدی مولد است و جمله دوم توان تلف شده توسط مقاومت درونی مولد است .
در صورتی که جریان اصلی مدار در جهت جریان مولد نباشد ، این رابطه به صورت زیر خواهد بود :
در واقع می توان گفت این مولد از مدار انرژی می گیرد . همانند زمانی که باتری موبایل خود را شارژ می کنید ، چنین اتفاقی می افتد و باتری از مدار اصلی انرژی می گیرد.
پیشنهاد می کنیم مبحث توان مصرفی مقاومت را مطالعه کنید.
مثال۲ : در مدار شکل زیر ، توان هر یک از اجزای مدار را حساب کنید :
حل مثال ۲ :
این همان اتفاقی است که هنگام اتصال یک باتری به شارژر روی می دهد. شارژر به باتری انرژی الکتریکی می دهد. بخشی از این انرژی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود و بقیه آن در مقاومت درون باتری تلف می شود و باتری را گرم می کند.
همان طور که انتظار داریم این نتیجه همچنین با پایستگی انرژی سازگار است:
نمودار توان خروجی مولد بر حسب جریان گذرنده از آن
با توجه به رابطه توان خروجی مولدی که به مدار انرژی می دهد، می دانیم این رابطه، معادله یک سهمی با تقعر رو به پایین است.
چون عرض از میدا این معادله درجه ۲ صفر است، نمودار از نقطه صفر شروع می شود. برای محاسبه اعداد محور I کافیست توان را صفر قرار دهیم.
برای پیدا کردن جریانی که در آن توان بیشینه مولد داریم، با توجه به تقارن سهمی کافیست وسط دو نقطه بالا را انتخاب کنیم یا اینکه از معادله توان بر حسب زمان مشتق بزنیم. و در نهایت برای محاسبه توان بیشینه مقدار I=ε/۲r را در رابطه توان خروجی قرار دهیم.
زمانی توان مفید مولد بیشینه می شود که مقاومت معادل مدار برابر با مقاومت درونی مولد باشد.
مثال ۳ : نمودار تغییرات توان بر حسب جریان برای یک مولد به صورت شکل روبه رو است. نیروی محرکه ی مولد بر حسب ولت و مقاومت درونی بر حسب اهم به ترتیب چقدر است؟
حل مثال ۳ :
ویدیو آموزشی توان خروجی باتری
به ویدیو آموزشی زیر در مورد این مبحث که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، توجه کنید.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
تمرین ها
توجه: با توجه به مرتبط بودن مباحث این فصل، برای پاسخ به تمرین های زیر باید با مباحث توان مصرفی مقاومت الکتریکی، به هم بستن مقاومت ها آشنایی داشته باشید.
تمرین ۱ : در مدار شکل روبرو :
الف) اگر ولت سنج ۱۴ ولت را نشان دهد ، آمپرسنج چه عددی را نشان می دهد ؟
ب) توان ورودی به باتری E1 چند وات است ؟
تمرین ۲: در مدار شکل زیر ، شدت جریان در جهت نشان داده شده ۲ آمپر است .
الف) نیروی محرکه E2 چند ولت است ؟
ب) توان خروجی مولد E1 چند وات است ؟
تمرین ۳: در مدار روبرو ، مقاومت R چند اهم باشد تا توان مفید مولد بیشینه شود ؟
تمرین ۴: در مدار مقابل وات سنج چند ولت را نشان می دهد ؟
تمرین ۵: در مدار شکل زیر، اگر نیروی محرکه مولد ۵ برابر افت پتانسیل داخل باتری باشد. نسبت مقاومت خارجی مولد به مقاومت داخلی ، R/r کدام است؟
تمرین ۶: در شکل مقابل مقاومتR را تغییر می دهیم. وقتی آمپرسنج ۲A را نشان می دهد ولت سنج ۲۰ ولت و وقتی آمپرسنج ۳A را نشان می دهد ولت سنج ۱۸ ولت را نشان می دهد. نیروی محرکه ی مولد چند ولت است؟
تمرین ۷: در مدار مقابل ولت سنج چند ولت را نشان می دهد؟
تمرین ۸: در مدار روبهرو، اگر توان تلف شده در مقاومت درونی مولد برابر ۸ وات باشد، مقاومت R چند اهم است؟
7 دیدگاه دربارهٔ «نیروی محرکه الکتریکی»
عالی بود عالی . ممنون
عالی خیلی با جزئیات وقشنگ توضیح دادین کاشکی معلم ماهم شما بودین
سلام خسته نباشید
عالی بود. هم روش تدریس و هم تمرینات و هم گذاشتن جواب تمرینات. با سپاس از شما استاد عزیز
سپاس از لطف شما
سلام
بسیار عالی بودید استاد
سپاس
سلام استاد
سپاس از تدریستون
چرا در سوال آخر کلیپ مربوط به نیرو محرکه مقاومت رئوستا تغییر کرد؟ چون سوال نگفته مقاومت تغییر میکنه