Elektromotorisk spenning

Elektromotorisk spenning, også kalt ems (med symbol  eller E) er en spenning som blir utviklet i kilder til elektrisk energi som batterier eller en generatorer. Generelt er ems definert som det elektriske potensialet i en spenningskilde i en elektrisk krets. Den måles i volt på samme måte som elektrisk spenning generelt. Ems er spenningen som driver den elektriske strømmen i en sluttet krets, dermed sier en at den er drivende spenning.
I en spenningskilde med to terminaler, for eksempel cellen i et batteri eller viklingene i en generator, kan ems måles direkte når den ikke er tilsluttet en sluttet krets. Altså er ems spenningsforskjellen mellom terminalene når spenningskilden er ubelastet. Når spenningskilden blir belastet blir spenning mellom terminalene lavere enn det som var tilfelle før belastningen ble satt på. Årsaken til dette er det spenningsfallet som oppstår over den indre motstanden i batteriet eller generatoren.
Enheter som kan skape ems er for eksempel batterier, solceller, fotodioder, generatorer, transformatorer og Van de Graaff-generatorer.
I tilfelle med et batteri vil separasjon av ladninger gi opphav til ems ved kjemiske reaksjoner i elektrodene og elektrolytten inne i batteriets celler. Dette skjer ved at positive og negative ladninger blir adskilt, det en kan kalle ladningsseparasjon. Dermed oppstår et elektrisk felt som fører til en elektrisk potensialforskjell. Feltet er motsatt rettet av kreftene som i første omgang førte til ladningsseperasjon. Det som driver strømmen gjennom en tilknyttet ekstern krets er et elektriske felt som settes opp i lederne, og har sin årsak i det elektriske feltet i spenningskilden. En elektrisk celle i et batteri kan forenklet forklart sees på som en «pumpe» på atomærnivå.
I tilfelle med en generator gir et stadig tidsvarierende magnetisk felt inne i generatoren opphav til elektromagnetisk induksjon og ladningsseparasjon. Ladningsseparasjon i viklingene fører til generering av et elektrisk felt. Dette gir feltet gir ems mellom generatorterminalene. Det generelle prinsippet som gir ems i elektriske maskiner er beskrevet av Faradays lov.
I en spenningskilde som ikke er tilknyttet en sluttet krets vil få konstant spenningen over terminalene. Et elektrisk felt bygger seg opp, men ytterligere bevegelse av ladninger er umulig uten noen ekstern tilknytning. Videre økning av ems blir motvirket av det elektriske feltet som skapes av ladningsseparasjonen, en har da en stabil spenning over spenningskildens terminaler.

Notasjon og måleenheter

For elektromotorisk spenning blir ofte symbolet  eller ℰ benyttet.
Tidligere benyttet en termen «elektromotorisk kraft», men siden det ikke er noen kraft til stede  slik som dette ordet defineres i fysikken har en gått bort fra begrepet. I engelsk språkbruk brukes fortsatt begrepet «Electromotive force», der «force» betyr kraft.
Dersom en spenningskilde uten indre motstand driver en partikkel med elektrisk ladning Q gjennom den og ladningen får en energi W, er netto ems for partikkelen energi per ladningsenhet, eller W/Q. I likhet med andre enheter for energi per ladning, har ems SI-enheten volt, tilsvarende joule per coulomb. Dermed kan en sette 1 V = 1 J/C. Som et enkelt  eksempel kan en se på et lommelyktbatteri med en spenning på 1,5 V. Ut fra det som er sagt over bety at det utføres et arbeid på 1,5 J for hver coulomb med ladning som blir levert ut av batteriets plussterminal, går ut i kretsen og kommer tilbake til dets minusterminal. Et elektron har en ladning på −1,6·10⁻¹⁹ C, dermed vil det si at 6,25·10¹⁸ elektroner må leveres fra batteriets ene terminal og komme tilbake til den andre, for at dette arbeidet skal omsettes.
Elektromotorisk spenning i elektrostatisk enhet er en Statvolt i centimeter gram sekund-systemet lik mengde til en erg per elektrostatisk enhet av elektrisk ladning.

Kontaktpotensiale

Når to forskjellige faste stoffer er i kontakt med hverandre er det vanlig at termodynamisk likevekt krever at et av materialene få et høyere elektrisk potensial enn den andre. Det potensialet som oppstår kalles for kontaktpotensial. For eksempel vil ulike metaller som kommer i kontakt produsere det som er kjent  som kontaktelektromotorisk spenning eller Galvani potensiale. Størrelsen av denne potensialforskjellen blir ofte uttrykt som en forskjell i ferminivå i de to faste stoffene ved nøytral  ladning, hvor Ferminivå (et navn for kjemisk potensial for et elektronsystem) beskriver den energien som er nødvendig for å fjerne et elektron fra materialet til et felles punkt (for eksempel jordpotensial).)
Øyensynlig er det slik at hvis det er en energimessig fordel i å ta et elektron fra et legeme til et  annet vil en slik overføring vil finne sted. Overføringen medfører en kostnad separasjon med et objekt som får elektroner og et annet som mister elektroner. Denne overføringen av ladning fører til en potensialforskjell mellom de to legemene, som delvis kansellerer det potensialet som kommer fra kontakten. Dermed blir videre overføring av ladning vanskeligere desto mer ladningsseparasjonen  øker. Ved termodynamisk likevekt blir ferminivåene like (energien for å fjerne elektroner er  identisk), og det er nå et innebygd elektrostatisk potensial mellom objektene. Den opprinnelige forskjellen i ferminivået før kontakt er referert som ems.
Kontaktpotensialet kan ikke drive noen kontinuerlig strøm gjennom en ekstern krets festet til eventuell terminaler til objektet. Årsaken er at det vil innebære en ladningsoverføring. Det finnes ingen mekanisme for å fortsette slik overføring, og dermed opprettholde en strøm etter at likevekt er oppnådd.
En kan spørre seg hvorfor kontaktpotensialet ikke vises i Kirchhoff spenningslov som ett bidrag til summen av spenningsfall. Det vanlige svaret er at en hvilken som helst krets innebærer, ikke bare én bestemt diode eller én kontaktflate, men også alle kontaktpotensialene på grunn av ledninger videre rundt hele kretsen. Summen av alle kontaktpotensialene rundt kretsen er null, dermed kan de ignoreres i praktisk bruk av Kirchhoffs spenningslov.

Solcelle

Lys med tilstrekkelig energi vil danne mobile elektronhullpar i en halvleder. En solcelle er laget av forskjellige materialer av halvledere slik at det oppstår en såkalt pn-overgang mellom dem. Ladningsseparasjon oppstår på grunn av et elektrisk felt i forbindelse med pn-overgangen som er i termisk likevekt (altså at selve kontaktpotensialet skaper det elektriske feltet). Disse elektriske feltene i forbindelse med pn-overgangen var til stede allerede før solcellen ble belyst. Denne ladningsseparasjonen skiller positive elektronhull og negative elektroner over pn-overgangen (en diode) noe som gir en forover spenning eller fotovoltaisk  spenningen mellom de opplyste diodeterminalene. Den fotoelektrisk spenningen blir som nevnt også referert til som fotoelektrisk ems.
Dioden besitter et innebygd potensiale på grunn av kontaktpotensialforskjellen mellom de to forskjellige materialene på hver side av PN-overgangen. Når dette er etablert kan denne spenningsforskjell ikke drive en strøm, men om en ekstern krets tilknyttes vil den ikke forstyrre denne likevekten. Derimot drives strømmen av akkumulering av overskuddselektroner i en region og av overskuddshuller en annen region. På grunn av belysningen resulterer dette i at det oppstår en fotoelektriske spenning, altså ems. Denne ems driver en strøm når en last er tilknyttet til den belyste fotocellen. Den fotoelektriske spenningen føre til forward bias i PN-overgangen, og dermed reduseres det pre-eksisterende elektriske feltet i utarmingsområdet.