Izvor EMF sa zatvorenim vanjskim krugom
Razlog odvajanja naboja i izazivanja njihovog gibanja u zatvorenom krugu naziva se elektromotorna sila (emf, ems).
Vrijednost EMF-a bilo kojeg izvora u kojem dolazi do razdvajanja naboja procjenjuje se iz rada utrošenog poljem da premjesti jedinični naboj s elektrode nižeg potencijala na elektrodu višeg potencijala.
Sukladno definiciji potencijala, taj je rad jednak potencijalnoj razlici razdvojenih naboja, koja se, kao i uzrok razdvajanja naboja, naziva elektromotorna sila.
Ako su stezaljke izvora spojene na vodljivo tijelo i tako stvore zatvoreni krug, tada će se uspostaviti struja, čiji se smjer podudara u vanjskom krugu sa smjerom EMF-a. Unutar izvora se cijelo vrijeme odvija razdvajanje naboja i razlika potencijala se održava.
Kretanje nabijenih čestica u prisutnosti struje ima isti smjer u cijelom zatvorenom krugu, a rad koji polje utroši da pomakne jedinični naboj duž zatvorenog kruga može se procijeniti vrijednošću koja je također jednaka radu sile unutar izvora koje pomiču jedinični naboj s negativne elektrode na pozitivnu elektrodu u odnosu na sile električno polje.
U istosmjernoj električnoj struji naboji koncentrirani na elektrodama izvora kontinuirano se obnavljaju, a polje oko elektroda uzrokovano tim nabojima ima isti karakter kao u otvorenom vanjskom krugu: ono je potencijalno. Za razliku od elektrostatičkog polja kontinuirano regeneriranih naboja, ono se naziva stacionarno polje.
Stacionarno polje razlikuje se od elektrostatičkog polja ne samo po tome što se naboj izvora ovog polja stalno obnavlja, već i po tome što se takvo polje nalazi i oko vodljivih tijela i unutar tih tijela. Za stacionarno polje koje ima isti karakter kao potencijalno polje, za bilo koju zatvorenu petlju koja ne prolazi kroz izvor EMF-a.
Pozivajući se na hidrodinamičku analogiju u slučaju zatvorenog vanjskog kruga izvora EMF, moramo zamisliti rad hidrauličkog sustava s otvorenom odvodnom cijevi, u kojoj se, recimo, nalazi određeni prijemnik (hidraulički motor). Kako bi se održala konstantna razlika u razini između spremnika, crpka mora nadoknaditi količinu tekućine u gornjem spremniku koja teče kroz odvodnu cijev.
Rad koji utroši motor da podigne tu količinu tekućine proporcionalan je razlici u razinama i može se karakterizirati vrijednošću te razlike. Rad koji izvrši protok tekućine pri padu s gornje razine na donju razinu proporcionalan je istoj razlici u razinama i, ako nije dopušten gubitak, jednak je radu motora.
Elektromotorna sila u nizu izvora praktički je neovisna o vrijednosti električne struje u strujnom krugu, zbog čega se često pretpostavlja da ostaje ista i tijekom praznog hoda izvora i pri punom opterećenju. Međutim, u pravilu, EMF tijekom punjenja izvora malo se razlikuje od vrijednosti EMF-a tijekom praznog hoda (obično manje).
Promjena EMF-a u ovom slučaju objašnjava se takozvanom reakcijom izvora. Na primjer, u kemijskim izvorima EMF njegovo smanjenje uočeno je u vezi s fenomenom polarizacije, u generatorima električnih strojeva — zbog nametanja struje opterećenja usmjerene u suprotnom smjeru od magnetskog polja na magnetsko polje.
Razlika potencijala između pojedinih točaka u električnom krugu ovisi o raspodjeli napona duž kruga. Konkretno, razlika potencijala između stezaljki izvora ovisi o omjeru vanjskog i unutarnjeg otpora izvora, odnosno o tzv. unutarnjem padu napona.
Elektromotorna sila može biti skokovito koncentrirana na krajnje ograničen dio električnog kruga (što se, na primjer, događa u galvanskim, termoelektričnim i drugim izvorima gdje EMF nastaje na mjestima dodira različitih tvari) ili raspodijeljena. preko nekog dijela kruga unutarnjeg izvora.
Potonji slučaj susrećemo u generatorima električnih strojeva, gdje se emf inducira na značajnoj duljini žica dok se kreću u magnetskom polju, a ukupna emf je zbroj elementarnih emf induciranih u pojedinačnim dijelovima kruga. Zbroj ovih vrijednosti jednak je potencijalnoj razlici između početka i kraja žice.
U analizi i proračunu električnih krugova koji sadrže EMF, često se pretpostavlja da je EMF koncentriran u prirodi. Prisutnost unutarnjeg otpora izvora uzima se u obzir uvođenjem dodatnog otpora na uključivanje.
Budući da EMF karakterizira transformaciju jedne ili druge vrste energije u električnu energiju tijekom prolaska struje, kada se govori o izvorima EMF ili struje, također se koristi izraz "izvor (električne) energije". Svi ovi pojmovi su sinonimi kada je riječ o stvarnim izvorima.
Ponekad kada izračunavaju i analiziraju električne krugove, oni čine razliku izvori struje i izvori EMF.
Pod izvorom EMF-a podrazumijeva se takav izvor energije, čiji se EMF može smatrati neovisnim o vrijednosti unutarnjeg otpora, a EMF takvog izvora mora težiti beskonačnosti. Ponekad se to postiže shematskim rješenjima, uporabom stabilizirajućih uređaja i sl.