Elektromotorische Kraft

Die elektromotorische Kraft (Abkürzung EMK) ist die historische Bezeichnung für die stromlos gemessene Klemmenspannung einer Galvanischen Zelle oder allgemein einer jeden Spannungsquelle.

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Die Gegen-EMK (auch Gegeninduktionsspannung) ist eine wichtige Kenngröße von Elektromotoren und elektrodynamischen Antrieben (Galvanometerantrieb, elektrodynamischer Lautsprecher); sie ist die Spannung, die der Motor bei Drehung induziert und die dem Stromfluss durch den Motor entgegenwirkt. Bei Generatoren ist die EMK die Leerlaufspannung.

Der Begriff wird auch für die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden einer elektrochemischen Zelle verwendet. Die elektromotorische Kraft wird in Formeln mit dem Symbol ΔE gekennzeichnet, die Einheit ist Volt. Aufgrund der EMK ist das Galvanische Element in der Lage, elektrische Arbeit zu leisten.

Die elektromotorische Kraft einer galvanischen Zelle ist ein Maß für die Triebkraft der in ihr ablaufenden Reaktion.

Die EMK berechnet sich aus der Differenz der beiden Halbzellenpotentiale, die durch die jeweiligen Redox-Reaktionen bestimmt werden.

Beispiele

Galvanische Zellen

Das Daniell-Element ist ein Beispiel für eine elektrochemische Zelle. Es wird aus einem Zinkstab gebildet, der in die wässrige Lösung eines Zinksalzes taucht und einem Kupferstab, der in die wässrige Lösung eines Kupfersalzes taucht. Beide Halbzellen werden mit Hilfe eines Stromschlüssels, der die Lösung eines Elektrolyten (ges. KCl oder NH₄NO₃) enthält, oder durch ein Diaphragma zu einer galvanischen Zelle kombiniert.

Werden die beiden Metalle durch einen metallischen Leiter verbunden, fließt ein Strom durch das System. Zink löst sich an der Zink-Elektrode auf, Kupferionen aus der Lösung scheiden sich an der Kupfer-Elektrode ab.

Im Daniell-Element findet an der Anode die Oxidation des Zinks statt.

An der Kathode wird Kupfer reduziert.

Für jede Halbzelle berechnen sich die Halbzellenpotentiale nach der Nernst-Gleichung.

Zur Berechnung der EMK für die Gesamtreaktion bildet man die Differenz der beiden Halbzellenpotentiale nach

ΔE = E_Kathode - E_Anode

Für das Daniell-Element erhält man für Metallionenkonzentrationen von jeweils 1 mol/l

ΔE = E_Kathode - E_Anode = E_Kupfer - E_Zink = 1.10 V ,

da unter Standardbedingungen (Temperatur 25°C, Konzentration 1 mol/L, Druck 1 atm) das Halbzellenpotential dem Standard-Potential entspricht.

Aus der EMK lässt sich die freie Enthalpie einer Redox-Reaktion berechnen.

ΔG = -zF ΔE

wobei z die Anzahl der bei der Reaktion übertragenen Elektronen darstellt. Hat man die EMK unter Standard-Bedingungen bestimmt, lässt sich so die freie Standard-Reaktionsenthalpie berechnen.

Elektromotoren und Generatoren

Bewegt sich ein elektrischer Leiter quer durch ein Magnetfeld, wird in ihm eine elektrische Spannung induziert; sie ist umso höher, je schneller die Bewegung ist.
Dementsprechend induziert auch ein sich im Statorfeld drehender Läufer eines Elektromotors an seinem Kollektor eine Spannung. Diese induzierte Spannung ist die Gegen-EMK. Dabei ist es unerheblich, welche Spannung tatsächlich am Motor anliegt - die Differenz der beiden Spannungen fällt am Ohmschen Widerstand der Wicklungen ab und verursacht Wärme. Steigt die Drehzahl soweit an, dass die EMK sich der anliegenden Spannung nähert, sinkt die Stromaufnahme und die Drehzahl erhöht sich nicht weiter. Mit Kenntnis der Gegen-EMK eines Gleichstrommotors kann man somit dessen Grenzdrehzahl für eine bestimmte Spannung errechnen.

Die Gegen-EMK eines Gleichstrommotors kann zu dessen Steuerung und Geschwindigkeitsregelung herangezogen werden. Davon wird bei kleinen permanenterregten Motoren zum Antrieb von Kassetten-Tonbandgeräten Gebrauch gemacht, aber auch bei elektronisch kommutierten Motoren sowie bei modernen Frequenzumrichtern für Asynchronmotoren.

Fremderregte Gleichstrommotoren können durch Feldschwächung in ihrer Drehzahl erhöht werden - die Gegen-EMK erfordert nun eine höhere Drehzahl, um den Wert der Betriebsspannung zu erreichen.

Auch Asynchronmotoren induzieren eine Gegen-EMK - hier induziert das mit dem Kurzschlussläufer umlaufende Magnetfeld in den Statorwicklungen eine Wechselspannung, die der Stromaufnahme entgegen wirkt, wenn der Läufer die Nenndrehzahl erreicht hat.

Die elektromotorisch Kraft ist bei Generatoren gleich der Leerlaufspannung. Die erzeugte Spannung von Generatoren kann durch Verändern der Drehzahl oder des Erregerfeldes verändert werden; dadurch ändert sich die EMK.