Fuerza electromotriz: concepto, fórmulas, símbolos, ejemplos

¿Qué es la fuerza electromotriz?

La fuerza electromotriz (f.e.m.) es el agente encargado de mantener a las cargas eléctricas en movimiento dentro de un circuito eléctrico. La cantidad de f.e.m. de una fuente representa la energía por unidad de carga que la misma puede proveer.

Las baterías y los generadores son fuentes de fuerza electromotriz cuya función en un circuito eléctrico es análoga a la que realiza una bomba de agua para mantener el flujo en una tubería de circuito cerrado.

Una fuente de tensión o voltaje, como también se llama a la fuente de fem, convierte la energía química, la energía electromagnética o la energía mecánica en corriente eléctrica, es decir que provee energía cinética a los electrones de conducción de un circuito eléctrico que conecte sus dos bornes o polos.

La unidad en el Sistema Internacional (SI) de medidas para la fuerza electromotriz es el voltio, abreviado V y equivalente a 1 Joule/culombio, así que en realidad no se trata de una fuerza en el sentido usual de la Física ya su unidad de medida no se corresponde con la de la fuerza, la cual se mide en newtons en unidades SI.

Diferencia entre voltaje y fem

Una batería con una fem de 3 voltios, realiza un trabajo de 3 joule sobre cada coulomb de carga (positiva) que se mueve desde el terminal negativo hasta el positivo por el interior de la pila.

Debido a que las cargas en el interior de una fuente de voltaje van en contracorriente, una fem no es igual a una diferencia de potencial, ya que en este último caso las cargas (positivas) se moverían de la región de mayor potencial a la de menor potencial.

El nombre de fuerza electromotriz fue acuñado por Alessandro Volta, el inventor de la pila, a comienzos del siglo XIX, cuando aún no estaba clara la distinción entre una fuerza y la energía que esta es capaz de producir.

Al explicar su descubrimiento, Volta hizo alusión a la fuerza que mantiene separadas a las cargas eléctricas en el interior de la pila, llamándola fuerza electromotriz, nombre que perdura hasta ahora.

Medida de la fem

En un circuito resistivo sencillo de corriente continua, la pila es la fuente de la fuerza electromotriz o fem.

Cuantitativamente, la fem mide la energía por unidad de carga suministrada por la pila. Denotando la fuerza electromotriz como ε, es el cociente entre el trabajo ΔW realizado para llevar una pequeña carga Δq, desde el terminal positivo de la pila o batería, hasta el terminal negativo a través del circuito exterior:

Símbolo de la fem

El símbolo utilizado para la fem en un circuito, por lo general consiste en dos líneas paralelas desiguales que indican la polaridad. La línea larga es el polo positivo y la corta el negativo.

Aunque casi siempre se trata de electrones negativos, por convención los portadores de carga se suponen positivos, motivo por el cual se dibuja la corriente saliendo del polo + de la fuente.

Fuentes de fuerza electromotriz ideales y reales

Las fuentes de fem se clasifican según varios criterios, por ejemplo, las hay ideales y no ideales.

Fuente ideal

Una fuente ideal es la que mantiene un voltaje constante entre los terminales, ante cualquier corriente que se demande. Por lo tanto, la fem ideal no presenta resistencia interna al movimiento de cargas en su interior.

Fuente real

Una fuente real tiene cierta oposición al movimiento de cargas, manifestada a través de una pequeña resistencia interna. Al momento de hacer los cálculos en un circuito, es necesario tomar en cuenta el valor de dicha resistencia, junto al de las resistencias externas y demás elementos presentes.

Entonces, cuando los terminales de la fem están desconectados, el valor del voltaje entre estos es igual al valor nominal de la fem. Si por ejemplo se trata de una pila de 9 V, este será el valor que lee un voltímetro. Pero al conectarla a un circuito que además alimenta a una resistencia externa, circulará una determinada corriente que disminuye el voltaje entre los terminales de la fem, en una cantidad que depende de la corriente y la resistencia interna.

Sea V_ab el voltaje entre los terminales de la fem, r la resistencia interna de la misma e I la corriente que circula por el circuito. Al aplicar la ley de Ohm se obtiene:

V_ab = ε − I∙r

Ejemplos

Los siguientes son ejemplos de fem muy conocidas, en las cuales se hace uso de diversos principios para generar electricidad: reacciones químicas, inducción electromagnética, ondas electromagnéticas y diferencias de temperatura.

Baterías

Incluyen todo tipo de pilas y acumuladores, los cuales transforman la energía química en eléctrica, a través de las reacciones entre compuestos en su interior. Las hay de níquel, níquel en combinación con otros elementos, zinc-carbón, litio y alcalinas a base de hidróxido de potasio, entre otras sustancias.

Los acumuladores para automóviles, por lo general hechos de plomo y ácido, se pueden cargar y descargar mediante electrólisis. Las pilas secas comunes, en cambio, no son recargables.

Generadores eléctricos

Convierten energía de movimiento en energía eléctrica, mediante el trabajo combinado de un elemento giratorio llamado rotor, y otro estático, conocido como estator.

Según su diseño, los generadores eléctricos producen corriente alterna (alternador) o corriente continua (dinamos).

El origen de la fem en los generadores eléctricos está en el fenómeno de la inducción electromagnética, el cual consiste en la acción de un campo magnético sobre cargas eléctricas móviles. En este proceso se genera un voltaje inducido, sin necesidad de reacciones químicas.

Celdas solares

Como su nombre lo indica, la fem de una celda solar proviene de la luz del sol, aunque también pueden efectuar la conversión partiendo de otro tipo de luz incidente.

El elemento constitutivo de las celdas solares es el silicio, obtenido de la purificación de la arena. Con este se fabrican delgadas láminas de un material semiconductor, en la cual los electrones tienden a acumularse en la superficie iluminada, creando así una separación de cargas y el consiguiente campo eléctrico entre ellas.

Se utilizan con frecuencia en la iluminación de calles, así como para labores de riego en zonas rurales y en la alimentación de equipos de telecomunicación.

Dispositivos termoeléctricos

Convierten diferencias de temperatura en energía eléctrica a través de un termopar, que consiste en dos conductores unidos a través de una soldadura.

Si dos puntos de un conductor se encuentran a diferentes temperaturas, se crea una fuerza electromotriz entre ellos. Este fenómeno se conoce como efecto Seebeck, aunque fue descubierto por Alessandro Volta, el creador de la pila eléctrica.

Celdas de combustión

Operan de manera semejante a la de una batería común, pero con la diferencia de que los reactivos en su interior son suministrados a partir de una fuente externa. El principio químico que genera la energía es la combustión, para lo cual se utiliza una variedad de compuestos, entre los que se incluyen el metanol, hidrógeno, carbón y más.

Aerogeneradores

Estos dispositivos convierten la energía del viento en energía eléctrica, a través de tres palas giratorias, semejantes a un molino de viento o un ventilador. El movimiento de giro de las palas acciona una turbina unida a un generador eléctrico mediante un eje.

El corazón

El corazón es un músculo que contiene células capaces de originar y transmitir impulsos eléctricos, al igual que una fem.