EMF 的完整形式是什么？

EMF：电动势

EMF 代表电动势（Electromotive Force）。在电磁学和电子学领域，由非电源产生的电作用，以伏特表示，称为电动势。电池（将化学能转化为电能）或发电机（将机械能转化为电能）等设备（称为换能器）会产生 EMF。

在电磁感应中，流过电路一圈的电荷（此处为电子）所做的电磁能量称为 EMF。当一个双端子设备（如电化学电池）被视为戴维南等效电路时，等效 EMF 可以计算为两个端子之间的电压。如果设备端子连接了外部电路，则该设备可以产生电流，成为该电路的电压源。

概述

可能产生 EMF 的设备包括电化学电池、热电器件、太阳能电池、光电二极管、发电机、变压器，甚至范德格拉夫起电机。当磁场变化穿过自然界中的一个表面时，就会产生 EMF。例如，当由于地磁风暴地球磁场发生变化，磁力线穿过导体时，电力网就会出现电流。

通过将积累的化学能转化为电磁势能，电池电极处的化学反应会产生电荷差异，从而导致端子之间的电势差（电压）。你可以将伏打电池想象成在每个电极上都有一个原子级别的“电荷泵”。

当发电系统内部的时变磁场产生电场时，会产生发电机端子之间的电压差，这是由电磁感应引起的。当电子在发电机内部从一个端子流向另一个端子时，就会发生电荷分离。在开路情况下，会产生电场，但会阻止进一步的电荷分离。由于电荷分离，电电压平衡了 EMF。如果连接了负载，此电压就可以驱动电流。法拉第感应定律是这些电气设备中 EMF 的基本原理。

历史

亚历山德罗·伏打 (Alessandro Volta) 于 1801 年使用了“电动马达力”（electric motor force）这个词，“以谈论电池的活性部分（他于 1798 年左右设计了它）”。这在英语中现在被称为“电动势”（electromotive force）。

1830 年，迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 发现，伏打电池的“EMF 之源”是由两个电极-电解质界面处发生的化学过程产生的。这意味着，与之前认为的不同，驱动电流的反应并非取之不尽的能量来源。在开路情况下，电荷分离一直进行，直到由分离的电荷产生的电场足以阻止反应。多年前，亚历山德罗·伏打错误地认为，接触本身（不考虑化学反应）是电磁场的起源。

符号和测量单位

电动势通常用符号 ℰ（称为求和或西格玛）表示。

如果一个电荷 Q 通过一个没有内阻的设备并获得能量 W，则该设备的总 EMF 是每库仑电荷获得的能量，即 W/Q。像其他每电荷的功率测量一样，EMF 使用国际单位制中的伏特，即焦耳/库仑。

在厘米-克-秒测量系统中，静伏 (statvolt) 是电学单位，等于每静电荷单位的尔格，用于测量电动势。

电势差

EMF 是电势差的另一种说法。考虑到 EMF 和其产生的电势之间的差异，以下示例展示了更正式的用法。

1. 对于一个完整的电路（例如，将电阻器与伏打电池串联），电势本身不对整个电路的 EMF 做出贡献，因为在电路闭合时没有电势差（基尔霍夫电压定律就是其中一个例子）。电池的化学反应是 EMF 的唯一来源，它导致电荷分离和驱动电流的电电压。
2. 在由电发电机通过电阻器驱动电流的电路中，EMF 完全来自发电机随时间变化的磁场，产生一个传递到风中的电势差（施加的电电压和欧姆 IR 压降的计算值为 0）。
3. “变压器 EMF”一词的起源可以在一个将两个电路连接起来的变压器被视为其中一个电路的电动势源的地方看到，就像它是由发电机产生的 EMF 一样。
4. 与电池类似，光电二极管或太阳能电池可以被视为 EMF 源，它们通过由光而不是化学反应驱动的电荷分离产生电电压。
5. 热电堆、燃料电池和热电偶是其他产生 EMF 的设备。

当电路开路时，由 EMF 产生机制分离的电荷会产生一个电场，该电场会抵消分离机制。例如，当伏打电池中两个电极上的反向电场足够强以阻止反应时，化学过程就会停止。在所谓的“可逆电池”中，更强的反向电场可以逆转过程。

当设备未连接到负载时，分离的电荷会产生一个电电压差，在许多情况下，可以用电压表测量该设备端子之间的电压差。当电池充电或放电时，无法直接测量 EMF，因为一些电压会耗散在电源内部。然而，如果已经测量了内阻 'r'，并且确定了电流 'I' 和电势差 'V'，则可以推导出公式 'ℰ = V + Ir'。

电势差不同于感应电磁场（通常称为“感应电压”）。我们从 A 点到 B 点的路径与这两个点之间的电势差（电标量势的差值）无关。如果电压表持续测量 A 和 B 之间的电压差，则电压表的位置无关紧要。如果施加了随时间变化的磁场，那么在 A 点和 B 点之间通过电压表进行的测量可能取决于电压表的位置。

例如，考虑一个无限长的螺线管，它通过交流电在自身内部产生变化的磁通量。在螺线管外部的圆周上连接了两个电阻。它们在顶部和底部与 A 点和 B 点相连。左边的电阻是 100 欧姆，右边的电阻是 200 欧姆。根据法拉第定律，感应电压为 V，电流为 I = V/(100 + 200)。由于两个电阻的两端都连接起来，因此 100 欧姆负载电阻和 200 欧姆电阻上的电势差分别为 100I 和 200I。但是，当电压表位于螺线管左侧时测得的 V(AB) 和当电压表位于螺线管右侧时测得的 V(AB) 不同。

生成

伏打电池

伏打在 1792 年左右发明了伏打电池，并于 1800 年 3 月 20 日首次展示。伏打准确地认识到了不同电极在产生电压方面的作用，但他错误地低估了电解质的潜在贡献。当伏打按照“张力系列”排列金属时，他说“也就是说，按顺序排列，使得列表中的任何一个与后面的任何一个接触时都变成正的，但与前面的任何一个相互作用时都变成负的”。电路图中一个常见的符号约定 (-||-) 会包含一个长电极 1 和一个小电极 2，表示电极 1 占主导地位。根据伏打关于反向电极 EMF 的规则，十个电极（例如锌和其他九种元素）可以组合成 45 种不同类型的伏打电池（10 × 9/2）。

电磁感应

由随时间变化的磁场产生的旋转电场称为电磁感应。磁铁围绕电路的运动、电路相对于另一个电路的运动（其中至少一个必须导电）或固定电路中变化的电流都可以导致随时间变化的磁场。

根据法拉第感应定律，特定电路的电磁感应 EMF 完全取决于穿过电路的磁通量变化率。

每次通量连接发生变化时，线圈或导体中就会产生 EMF。根据变化的方式，有两种不同类型的变化：静态感应发生在导体在静态磁场中移动以改变磁链时。运动产生的电动势也称为运动 EMF。当磁链的变化源于固定导体周围磁场的变化时，EMF 是动态感应的。变压器 EMF 是由随时间变化的磁场产生的电动势的常用名称。

接触电势

热力学平衡要求两种不同材料的固体在接触时，其中一种固体比其他固体具有更高的电势。术语“接触电势”指的就是这种方法。当不同的金属接触时，会产生有时称为接触 EMF 或伽伐尼电势的现象。两个处于电荷中性状态的固体之间的电势差的幅度通常表示为其各自费米能级的差值，其中费米能级（能量泛函的化学势的另一个名称）指定了从一个物体中移除电子并将其传输到公共位置（例如地）所需的能量。

如果将电子从一种元素转移到另一种元素具有能量优势，则会发生这种转移。其中一个物体通过转移获得电子，而另一个物体失去电子，从而导致电荷分离。由于这种电荷转移，物体之间的电压差部分抵消了接触产生的电势，最终达到平衡。

EMF 是在接触之前存在的费米能级的初始差异。由于如果通过连接到接触电势端子的负载驱动连续电流，则会发生电荷转移，因此无法实现稳态电流。一旦达到平衡，就没有机制来维持这种转移，因此也就没有电流。

为什么接触电势不计入基尔霍夫电压定律中的电势降贡献之一？传统的回答是，每个电路都包含一个特定的结或二极管，所有接触电势都是由电路周围的导线和其他因素引起的。由于所有接触电势加起来为零，因此基尔霍夫定律允许忽略它们。