Definición de Fuerza Electromotriz

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

La fuerza electromotriz, contrario a lo que indica su nombre, se trata de un tipo de energía que está asociada con el trabajo mecánico hecho sobre cargas eléctricas para ponerlas en movimiento. Esta energía en un circuito eléctrico puede provenir de distintas fuentes como baterías, transductores o generadores.

Aunque se trate de un tipo de energía, la fuerza electromotriz conserva este nombre como una reliquia histórica. Alessandro Volta fue quien acuñó el término para explicar el principio activo detrás del funcionamiento de su batería. Años más tarde, Michael Faraday también utilizó este término cuando formuló su famosa ley.

Definiendo la fuerza electromotriz

Para poder mover cargas eléctricas a través de un circuito eléctrico o una resistencia eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial eléctrico entre ambos extremos de este circuito. Para poder tener un flujo estable de cargas eléctricas, es decir, una corriente eléctrica constante, se necesita de un dispositivo que funcione como una “bomba de cargas” que realice trabajo mecánico sobre ellas y mantenga una diferencia de potencial estable en el circuito.

Al trabajo mecánico que se realiza sobre estas cargas eléctricas se le denomina “Fuerza Electromotriz (FEM)” y a los dispositivos capaces de llevar a cabo esta tarea se les conoce como “Dispositivos FEM”. Esta definición que acabamos de dar sobre la fuerza electromotriz se parece mucho a la definición de voltaje o diferencia de potencial eléctrico, pero como veremos más adelante, existen un par de diferencias entre estos.

Un dispositivo que realiza una fuerza electromotriz en un circuito tiene la capacidad de hacer que las cargas eléctricas se muevan desde la terminal negativa hasta la terminal positiva, lo que genera una corriente. Para que este ocurra se tiene que realizar un trabajo mecánico sobre las cargas para que se pongan en movimiento.

Consideremos un circuito conectado a un dispositivo FEM. Durante un intervalo de tiempo dt una cantidad de carga eléctrica dq pasa por una región de este circuito. Esta misma cantidad de carga eléctrica debe de salir del dispositivo FEM y regresar a este. Para ello, dicho dispositivo deberá realizar un trabajo dW sobre esta carga eléctrica para ponerla en movimiento. La fuerza electromotriz \(\mathcal{E}\) generada por el dispositivo se define entonces como:

\(\mathcal{E}=\frac{dW}{dq}\)

Es decir, que la fuerza electromotriz se define como la cantidad de trabajo mecánico que se realiza por unidad de carga eléctrica para generar una corriente eléctrica. Las unidades de \mathcal{E} son los volts (V), la misma unidad utilizada para el potencial eléctrico y el voltaje.

Ahora, vamos a ver si podemos obtener una relación entre la fuerza electromotriz y la corriente eléctrica. La corriente eléctrica I se define como:

\(I=\frac{dq}{dt}\)

Multiplicando ambos lados de esta expresión por \(\mathcal{E}\) obtenemos:

\(\mathcal{E}I=\frac{\mathcal{E}dq}{dt}\)

Como \(\mathcal{E}dq=dW\) podemos reescribir la ecuación anterior como:

\(\mathcal{E}Idt=dW\)

Sabemos que cuando una corriente eléctrica pasa por una resistencia R se disipa energía en forma de calor. La tasa de disipación de esta energía está relacionada con el trabajo mecánico tal que:

\(\frac{dW}{dt}=I^2R\)

O bien, podemos decir que \(dW=I^2Rdt\). Reemplazando esto en la ecuación anterior obtenemos:

\(\mathcal{E}Idt=I^2Rdt\)

Resolviendo para \(\mathcal{E}\) obtenemos finalmente que:

\(\mathcal{E}=IR\)

Eso es básicamente la Ley de Ohm que relaciona a la diferencia de potencial con la corriente eléctrica y las resistencias de un circuito. En este caso hemos utilizado un caso ideal en el que el dispositivo FEM no tiene una resistencia interna y toda su fuerza electromotriz se transforma en una diferencia de potencial. No obstante, en los dispositivos FEM reales podemos encontrar resistencias internas que provocan que la diferencia de potencial que generan en un circuito sea menor a su fuerza electromotriz.

Fuerza electromotriz y diferencia de potencial

Como mencionamos anteriormente, la fuerza electromotriz conserva su nombre debido al contexto histórico en el que se acuñó el término. Aunque todo lo explicado hasta el momento parece darnos a entender que la fuerza electromotriz y la diferencia de potencial eléctrico son sinónimos, la verdad es que existen algunas diferencias entre ambos términos.

Primero es importante mencionar que la diferencia de potencial es un término más general que se aplica cuando existe un gradiente de potencial eléctrico entre dos puntos del espacio. Por lo tanto, la fuerza electromotriz entra en esta categoría general.

Además, el término de fuerza electromotriz se utiliza en el contexto de los circuitos eléctrico y generalmente va asociada con dispositivos capaces de llevar a cabo esta tarea, por lo tanto, la diferencia de potencial existente en un circuito eléctrico existe gracias a ciertos dispositivos capaces de realizar una fuerza electromotriz. Sin embargo, fuera del contexto de los circuitos eléctricos, pueden existir diferencias de potencial que no precisamente están vinculadas con una fuerza electromotriz pero sí con otros procesos y fenómenos.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Feb. 2024; sobre el original de junio, 2015.

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