Fuerza electromotriz

La fuerza electromotriz o voltaje inducido​​​​ (representado fem, FEM o ${\mathcal {E}}$) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo electrostático conservativo E_cs cuya circulación define el voltaje inducido del generador:

${\mathcal {E}}=-\int _{A}^{B}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {cs} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,$

donde ‘·’ denota el producto escalar.

En electromagnetismo y electrónica, fuerza electromotriz (también electromotancia, abreviada fem,​​ denotada como ${\mathcal {E}}$) es la acción eléctrica producida por una fuente no eléctrica, medida en volts.​ Los dispositivos llamados transductores eléctricos proporcionan una fem​ mediante la conversión de otras formas de energía en energía eléctrica, ​ como baterías (que convierten energía química) o generadores (que convierten energía mecánica). ​ Esta conversión de energía se consigue mediante fuerzas físicas aplicando trabajo físico sobre cargas eléctricas. Sin embargo, el término "fuerza electromotriz" no es realmente una fuerza. El error de Volta de etiquetarla como "fuerza" es un nombre erróneo que persiste como reliquia histórica.​

Una analogía electrónica-hidráulica puede ver la fem como el trabajo mecánico realizado al agua por una bomba, que da lugar a una diferencia de presión (análoga al voltaje). ​

En inducción electromagnética, la fem puede definirse alrededor de una espira cerrada de un conductor como el trabajo electromagnético que se realizaría sobre una carga eléctrica (como un electrón) si se desplazara una vez alrededor de la espira.​

Para dispositivos de dos terminales modelados como un circuito equivalente de Thévenin, se puede medir una emf equivalente como la tensión en circuito abierto entre los dos terminales. Esta emf puede conducir una corriente eléctrica si se conecta un circuito externo a los terminales, en cuyo caso el dispositivo se convierte en la fuente de tensión de ese circuito.

Aunque una emf da lugar a una tensión y puede medirse como una tensión y a veces puede llamarse informalmente "voltaje", no son el mismo fenómeno.

Unidades de medida

El voltaje (también llamado diferencia de potencial o tensión) se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga negativa del polo negativo al positivo, dividido por el valor en culombios de dicha carga, esto es: julios/culombio. Normalmente se mide en voltios (V) que equivale a julios entre culombio (J/C), pero estas son unidades derivadas del sistema internacional. En el sistema internacional sus unidades básicas son metro cuadrado por kilogramo partido por segundo al cubo por amperio: m²·kg·s^-3·A^-1.

Justificación y causa

Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale).

Por lo que queda que:

${\mathcal {E}}={\frac {\mathrm {d} W}{\mathrm {d} q}}\,\!$.

Relación con otras partes de la física

Se relaciona con la diferencia de potencial $\Delta U$ entre los bornes y la resistencia interna $r\,\!$ del generador mediante la fórmula ${\displaystyle \Delta U={\mathcal {E}}-ir_{i}\,\!}$ (el producto $ir\,\!$ es la caída de potencial que se produce en el interior del generador a causa de la resistencia óhmica que ofrece al paso de la corriente). El ε de un generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto.

Ecuaciones matemáticas

La fuerza electromotriz en un circuito cerrado es igual a la variación del flujo de inducción $\phi \,$ del campo magnético que lo atraviesa en la unidad de tiempo, lo que se expresa por la ecuación (Ley de Faraday):

${\mathcal {E}}\ ={\frac {\Delta \Phi }{\Delta t}}\,\!$.

A esta ley se le añade un signo ‘-’ que indica que el sentido de ε inducido es tal que se opone al descrito por la ley de Faraday. A pesar de que lo único que cambia es el signo, esta "nueva" ley recibe el nombre de Ley de Lenz:

${\mathcal {E}}\ =-{\frac {\Delta \Phi }{\Delta t}}\,\!$.

Aplicaciones prácticas

La aplicación más importante del movimiento relativo se ve en los generadores eléctricos. En un generador de corriente, los electroimanes están dispuestos en una carcasa cilíndrica. Los conductores, en forma de bobinas, se rotan sobre un núcleo de tal manera que las bobinas continuamente cortan las líneas de campo magnético. El resultado es un voltaje inducido en cada uno de los conductores. Estos conductores están conectados en serie, y los voltajes inducidos se suman para producir voltaje de salida del generador.

Toda central capaz de producir energía eléctrica, independientemente de la fuente de la que provenga, utiliza estas leyes físicas. También, la ley es útil a la inversa, es decir, a partir de energía eléctrica se puede producir movimiento, un claro ejemplo son los motores eléctricos. Esto es posible debido a la simple relación entre la diferencia de potencial y el trabajo.

$W=-\Delta V_{ab}$

Esta ley no es específica de ε. Cualquier cambio en el voltaje, ya sea inducido o no, puede generar trabajo. Y cualquier trabajo puede generar una diferencia de potencial (recuérdese que diferencia de potencial, voltaje y tensión son sinónimos).

Véase también

• Ley de Faraday
• Ley de Lenz
• Diferencia de potencial
• Voltio
• Newton
• Unidades eléctricas

FBibliografía

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• Datos: Q185329