Fuerza electromotriz

Acción eléctrica producida por una fuente no eléctrica.

En electromagnetismo y electrónica , la fuerza electromotriz (también electromotancia , abreviada fem , ^{[1] [2]} denotada o ^{[ cita requerida ]} ) es una transferencia de energía a un circuito eléctrico por unidad de carga eléctrica , medida en voltios . Los dispositivos llamados transductores eléctricos proporcionan una fem ^[3] al convertir otras formas de energía en energía eléctrica . ^[3] Otros equipos eléctricos también producen una fem, como las baterías , que convierten la energía química , y los generadores , que convierten la energía mecánica . ^[4] Esta conversión de energía se logra mediante fuerzas físicas que aplican trabajo físico sobre cargas eléctricas . Sin embargo, la fuerza electromotriz en sí misma no es una fuerza física, ^[5] y las normas ISO / IEC han desaprobado el término en favor de voltaje de fuente o tensión de fuente (denotado ). ^{[6] [7]} ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle {\xi }}$ ${\displaystyle U_{s}}$

Una analogía electrónica-hidráulica puede ver la fem como el trabajo mecánico realizado al agua por una bomba , lo que resulta en una diferencia de presión (análoga al voltaje) . ^[8]

En inducción electromagnética , la fem se puede definir alrededor de un circuito cerrado de un conductor como el trabajo electromagnético que se realizaría sobre una carga eléctrica elemental (como un electrón ) si viaja una vez alrededor del circuito. ^[9]

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

Aunque una fem da lugar a un voltaje y puede medirse como un voltaje y, a veces, informalmente denominarse "voltaje", no son el mismo fenómeno (consulte § Distinción con diferencia de potencial).

Descripción general

Los dispositivos que pueden proporcionar fem incluyen celdas electroquímicas , dispositivos termoeléctricos , celdas solares , fotodiodos , generadores eléctricos , inductores , transformadores e incluso generadores Van de Graaff . ^{[10] [11]} En la naturaleza, la fem se genera cuando se producen fluctuaciones del campo magnético a través de una superficie. Por ejemplo, el cambio del campo magnético de la Tierra durante una tormenta geomagnética induce corrientes en una red eléctrica a medida que las líneas del campo magnético se desplazan y cortan a través de los conductores.

En una batería, la separación de carga que da lugar a una diferencia de potencial ( voltaje ) entre los terminales se logra mediante reacciones químicas en los electrodos que convierten la energía potencial química en energía potencial electromagnética. ^{[12] [13]} Se puede pensar que una celda voltaica tiene una "bomba de carga" de dimensiones atómicas en cada electrodo, es decir:

Se puede considerar una fuente (química) de fem como una especie de bomba de carga que actúa para mover cargas positivas desde un punto de bajo potencial a través de su interior hasta un punto de alto potencial. … Por medios químicos, mecánicos o de otro tipo, la fuente de fem realiza un trabajo sobre esa carga para moverla a la terminal de alto potencial. La fem de la fuente se define como el trabajo realizado por carga . . ^[14] ${\textstyle {\mathit {d}}W}$ ${\textstyle {\mathcal {E}}}$ ${\textstyle {\mathit {d}}W}$ ${\textstyle dq}$ ${\textstyle {\mathcal {E}}={\frac {{\mathit {d}}W}{{\mathit {d}}q}}}$

En un generador eléctrico, un campo magnético variable en el tiempo dentro del generador crea un campo eléctrico mediante inducción electromagnética , lo que crea una diferencia de potencial entre los terminales del generador. La separación de cargas tiene lugar dentro del generador porque los electrones fluyen desde un terminal hacia el otro, hasta que, en el caso de circuito abierto, se desarrolla un campo eléctrico que hace imposible una mayor separación de cargas. La fem es contrarrestada por la tensión eléctrica debido a la separación de cargas. Si se conecta una carga , este voltaje puede generar una corriente. El principio general que rige la fem en este tipo de máquinas eléctricas es la ley de inducción de Faraday .

Historia

En 1801, Alessandro Volta introdujo el término "force motrice électrique" para describir el agente activo de una batería (que había inventado alrededor de 1798). ^[15] Esto se llama "fuerza electromotriz" en inglés.

Alrededor de 1830, Michael Faraday estableció que las reacciones químicas en cada una de las dos interfaces electrodo-electrolito proporcionan el "asiento de la fem" para la celda voltaica. Es decir, estas reacciones impulsan la corriente y no son una fuente inagotable de energía como pensaba la teoría obsoleta anterior . ^[16] En el caso de circuito abierto, la separación de cargas continúa hasta que el campo eléctrico de las cargas separadas es suficiente para detener las reacciones. Años antes, Alessandro Volta , que había medido una diferencia de potencial de contacto en la interfaz metal-metal (electrodo-electrodo) de sus células, sostenía la opinión incorrecta de que el contacto solo (sin tener en cuenta una reacción química) era el origen de la fem. .

Notación y unidades de medida.

La fuerza electromotriz a menudo se denota por o ℰ . ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

En un dispositivo sin resistencia interna , si una carga eléctrica que pasa a través de ese dispositivo gana energía a través del trabajo, la fem neta para ese dispositivo es la energía ganada por unidad de carga: como otras medidas de energía por carga, la fem usa la unidad SI voltio , lo que equivale a un julio (unidad SI de energía) por culombio (unidad SI de carga). ^[17] ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle W}$ ${\textstyle {\tfrac {W}{Q}}.}$

La fuerza electromotriz en unidades electrostáticas es el estatovoltio (en el segundo sistema de unidades del centímetro-gramo , igual en cantidad a un ergio por unidad de carga electrostática).

Definiciones formales

Dentro de una fuente de fem (como una batería) que está en circuito abierto, se produce una separación de carga entre el terminal negativo N y el terminal positivo P. Esto conduce a un campo electrostático que apunta de P a N , mientras que la fem de la fuente debe poder conducir la corriente de N a P cuando se conecta a un circuito. Esto llevó a Max Abraham ^[18] a introducir el concepto de un campo no electrostático que existe sólo dentro de la fuente de fem. En el caso de circuito abierto, mientras que cuando la fuente está conectada a un circuito, el campo eléctrico dentro de la fuente cambia pero permanece esencialmente igual. En el caso de circuito abierto, el campo electrostático conservador creado por la separación de cargas cancela exactamente las fuerzas que producen la fem. ^[19] Matemáticamente: ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'=-{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'}$

$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}'\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=-\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=V_{P}-V_{N}\ ,}$$

donde es el campo electrostático conservador creado por la separación de carga asociada con la fem, es un elemento del camino desde el terminal N al terminal P , ' ' denota el producto escalar vectorial y es el potencial escalar eléctrico. [ ^20] Esta fem es el trabajo realizado sobre una unidad de carga por el campo no electrostático de la fuente cuando la carga se mueve de N a P. ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {open\ circuit} }}$ ${\displaystyle \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$ ${\displaystyle \cdot }$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}'}$

Cuando la fuente está conectada a una carga, su fem es justa y ya no tiene una relación simple con el campo eléctrico dentro de ella. ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\int _{N}^{P}{\boldsymbol {E}}'\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$

En el caso de un camino cerrado en presencia de un campo magnético variable , la integral del campo eléctrico alrededor del circuito cerrado (estacionario) puede ser distinta de cero. Entonces, la " fem inducida " (a menudo llamada "voltaje inducido") en el bucle es: ^[21] ${\displaystyle C}$

$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{C}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d\Phi _{C}}{dt}}=-{\frac {d}{dt}}\oint _{C}{\boldsymbol {A}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,}$$

donde es el campo eléctrico completo, conservador y no conservador, y la integral es alrededor de una curva cerrada arbitraria, pero estacionaria, a través de la cual hay un flujo magnético variable en el tiempo , y es el potencial vectorial . El campo electrostático no contribuye a la fem neta alrededor de un circuito porque la porción electrostática del campo eléctrico es conservadora (es decir, el trabajo realizado contra el campo alrededor de un camino cerrado es cero; consulte la ley de voltaje de Kirchhoff , que es válida siempre que ya que los elementos del circuito permanecen en reposo y se ignora la radiación ^[22] ). Es decir, la "fem inducida" (como la fem de una batería conectada a una carga) no es un "voltaje" en el sentido de una diferencia en el potencial escalar eléctrico. ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \Phi _{C}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {A}}}$

Si el bucle es un conductor que transporta corriente en la dirección de integración alrededor del bucle, y el flujo magnético se debe a esa corriente, tenemos que , donde está la autoinductancia del bucle. Si además, el bucle incluye una bobina que se extiende desde el punto 1 al 2, de manera que el flujo magnético está localizado en gran medida en esa región, se acostumbra hablar de esa región como un inductor , y considerar que su fem está localizada en esa región. Luego, podemos considerar un bucle diferente que consta del conductor enrollado de 1 a 2 y una línea imaginaria que baja por el centro de la bobina de 2 a 1. El flujo magnético y la fem en el bucle son esencialmente los mismos que en bucle : ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle \Phi _{B}=LI}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle C}$

$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{C}={\mathcal {E}}_{C'}=-{\frac {d\Phi _{C'}}{dt}}=-L{\frac {dI}{dt}}=\oint _{C}{\boldsymbol {E}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ .}$$

Para un buen conductor, es insignificante, por lo que tenemos, en una buena aproximación, ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}_{\mathrm {conductor} }}$

$${\displaystyle L{\frac {dI}{dt}}=\int _{1}^{2}{\boldsymbol {E}}_{\mathrm {center\ line} }\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=V_{1}-V_{2}\ ,}$$

${\displaystyle V}$

Por lo tanto, podemos asociar una "caída de voltaje" efectiva con un inductor (aunque nuestra comprensión básica de la fem inducida se basa en el potencial vectorial en lugar del potencial escalar) y considerarlo como un elemento de carga en la ley de voltaje de Kirchhoff. ${\displaystyle L\ dI/dt}$

$${\displaystyle \sum {\mathcal {E}}_{\mathrm {source} }=\sum _{\mathrm {load\ elements} }\mathrm {voltage\ drops} ,}$$

donde ahora la fem inducida no se considera una fem fuente. ^[23]

Esta definición se puede extender a fuentes arbitrarias de fem y trayectorias que se mueven con velocidad a través del campo eléctrico y el campo magnético : ^[24] ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {E}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {B}}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {E}}&=\oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\\&\qquad +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ chemical\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\\&\qquad \qquad +{\frac {1}{q}}\oint _{C}\mathrm {Effective\ thermal\ forces\ \cdot } \ \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\ ,\end{aligned}}}$$

la cual es una ecuación conceptual principalmente, porque la determinación de las "fuerzas efectivas" es difícil. El término a menudo se denomina "fem de movimiento". ${\displaystyle \oint _{C}\left[{\boldsymbol {E}}+{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}\right]\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

En termodinámica (electroquímica)

Cuando se multiplica por una cantidad de carga, la fem produce un término de trabajo termodinámico que se usa en el formalismo para el cambio en la energía de Gibbs cuando la carga pasa por una batería: ${\displaystyle dQ}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}\,dQ}$

${\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP+{\mathcal {E}}\,dQ\ ,}$

donde es la energía libre de Gibbs, es la entropía , es el volumen del sistema, es su presión y es su temperatura absoluta . ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle T}$

La combinación es un ejemplo de un par conjugado de variables . A presión constante, la relación anterior produce una relación de Maxwell que vincula el cambio en el voltaje de la celda abierta con la temperatura (una cantidad mensurable) con el cambio en la entropía cuando la carga pasa de forma isotérmica e isobárica . Este último está estrechamente relacionado con la entropía de la reacción electroquímica que proporciona energía a la batería. Esta relación de Maxwell es: ^[25] ${\displaystyle ({\mathcal {E}},Q)}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle S}$

${\displaystyle \left({\frac {\partial {\mathcal {E}}}{\partial T}}\right)_{Q}=-\left({\frac {\partial S}{\partial Q}}\right)_{T}}$

Si un mol de iones se disuelve (por ejemplo, en una celda Daniell, como se analiza a continuación), la carga a través del circuito externo es:

${\displaystyle \Delta Q=-n_{0}F_{0}\ ,}$

donde es el número de electrones/ion, es la constante de Faraday y el signo menos indica la descarga de la celda. Suponiendo presión y volumen constantes, las propiedades termodinámicas de la celda están estrictamente relacionadas con el comportamiento de su fem mediante: ^[25] ${\displaystyle n_{0}}$ ${\displaystyle F_{0}}$

${\displaystyle \Delta H=-n_{0}F_{0}\left({\mathcal {E}}-T{\frac {d{\mathcal {E}}}{dT}}\right)\ ,}$

¿Dónde está la entalpía de reacción ? Todas las cantidades de la derecha se pueden medir directamente. Suponiendo temperatura y presión constantes: ${\displaystyle \Delta H}$

${\displaystyle \Delta G=-n_{0}F_{0}{\mathcal {E}}}$

que se utiliza en la derivación de la ecuación de Nernst .

Distinción con diferencia de potencial

Aunque una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) a veces se denomina fem, ^{[26] [27] [28] [29] [30]} son ​​conceptos formalmente distintos:

• La diferencia de potencial es un término más general que incluye fem.
• La fem es la causa de una diferencia de potencial.
• En un circuito de una fuente de voltaje y una resistencia, la suma del voltaje aplicado a la fuente más la caída de voltaje óhmica a través de la resistencia es cero. Pero la resistencia no proporciona fem, solo la fuente de voltaje lo hace:
  • Para un circuito que utiliza una fuente de batería, la fem se debe únicamente a las fuerzas químicas en la batería.
  • Para un circuito que utiliza un generador eléctrico, la fem se debe únicamente a fuerzas magnéticas que varían en el tiempo dentro del generador.
• Tanto una fem de 1 voltio como una diferencia de potencial de 1 voltio corresponden a 1 julio por culombio de carga.

En el caso de un circuito abierto, la carga eléctrica que ha sido separada por el mecanismo que genera la fem crea un campo eléctrico que se opone al mecanismo de separación. Por ejemplo, la reacción química en una celda voltaica se detiene cuando el campo eléctrico opuesto en cada electrodo es lo suficientemente fuerte como para detener las reacciones. Un campo opuesto más grande puede revertir las reacciones en las llamadas células reversibles . ^{[31] [32]}

La carga eléctrica que se ha separado crea una diferencia de potencial eléctrico que puede (en muchos casos) medirse con un voltímetro entre los terminales del dispositivo, cuando no está conectado a una carga. La magnitud de la fem de la batería (u otra fuente) es el valor de este voltaje de circuito abierto. Cuando la batería se está cargando o descargando, la fem en sí no se puede medir directamente utilizando el voltaje externo porque se pierde algo de voltaje dentro de la fuente. ^[27] Sin embargo, se puede inferir de una medición de la diferencia de corriente y potencial , siempre que ya se haya medido la resistencia interna: ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle {\mathcal {E}}=V+IR\ .}$

"Diferencia de potencial" no es lo mismo que "fem inducida" (a menudo llamada "voltaje inducido"). La diferencia de potencial (diferencia en el potencial escalar eléctrico) entre dos puntos A y B es independiente del camino que tomamos de A a B. Si un voltímetro siempre midiera la diferencia de potencial entre A y B , entonces la posición del voltímetro no haría ninguna diferencia. Sin embargo, es muy posible que la medición con un voltímetro entre los puntos A y B dependa de la posición del voltímetro, si está presente un campo magnético dependiente del tiempo. Por ejemplo, considere un solenoide infinitamente largo que utiliza una corriente alterna para generar un flujo variable en el interior del solenoide. Fuera del solenoide tenemos dos resistencias conectadas en un anillo alrededor del solenoide. La resistencia de la izquierda es de 100 Ω y la de la derecha es de 200 Ω, están conectadas arriba y abajo en los puntos A y B. El voltaje inducido, según la ley de Faraday, es , por lo que la corriente. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de 100 Ω es y el voltaje a través de la resistencia de 200 Ω es , sin embargo, las dos resistencias están conectadas en ambos extremos, pero se miden con el voltímetro a la izquierda. del solenoide no es el mismo que el medido con el voltímetro a la derecha del solenoide. ^{[33] [34]} ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle I=V/(100+200).}$ ${\displaystyle 100\ I}$ ${\displaystyle 200\ I}$ ${\displaystyle V_{AB}}$ ${\displaystyle V_{AB}}$

Generación

Fuentes químicas

Una ruta de reacción típica requiere que los reactivos iniciales crucen una barrera de energía, entren en un estado intermedio y finalmente emerjan en una configuración de energía más baja. Si se trata de una separación de cargas, esta diferencia de energía puede dar lugar a una fem. Véase Bergmann et al. ^[35] y Estado de transición .

Celda galvánica mediante puente salino.

La cuestión de cómo las baterías (celdas galvánicas) generan una fem ocupó a los científicos durante la mayor parte del siglo XIX. Walther Nernst ^[36] finalmente determinó en 1889 que el "asiento de la fuerza electromotriz" estaba principalmente en las interfaces entre los electrodos y el electrolito . ^[dieciséis]

Los átomos en moléculas o sólidos se mantienen unidos mediante enlaces químicos , que estabilizan la molécula o el sólido (es decir, reducen su energía ). Cuando se juntan moléculas o sólidos de energía relativamente alta, puede ocurrir una reacción química espontánea que reordena el enlace y reduce la energía (libre) del sistema. ^[37] En las baterías, las semirreacciones acopladas, que a menudo involucran metales y sus iones, ocurren en tándem, con una ganancia de electrones (denominada "reducción") por un electrodo conductor y una pérdida de electrones (denominada "oxidación") por otro ( reacciones de reducción-oxidación o redox ). La reacción general espontánea sólo puede ocurrir si los electrones se mueven a través de un cable externo entre los electrodos. La energía eléctrica emitida es la energía libre perdida por el sistema de reacción química.

Por ejemplo, una celda Daniell consta de un ánodo de zinc (un colector de electrones) que se oxida al disolverse en una solución de sulfato de zinc. El zinc que se disuelve deja sus electrones en el electrodo según la reacción de oxidación ( s = electrodo sólido; aq = solución acuosa):

${\displaystyle \mathrm {Zn_{(s)}\rightarrow Zn_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\ } }$

El sulfato de zinc es el electrolito en esa media celda. Es una solución que contiene cationes de zinc y aniones de sulfato con cargas que se equilibran a cero. ${\displaystyle \mathrm {Zn} ^{2+}}$ ${\displaystyle \mathrm {SO} _{4}^{2-}}$

En la otra mitad de la celda, los cationes de cobre en un electrolito de sulfato de cobre se mueven hacia el cátodo de cobre al que se unen mientras adoptan electrones del electrodo de cobre mediante la reacción de reducción:

${\displaystyle \mathrm {Cu_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu_{(s)}\ } }$

lo que deja un déficit de electrones en el cátodo de cobre. La diferencia entre el exceso de electrones en el ánodo y el déficit de electrones en el cátodo crea un potencial eléctrico entre los dos electrodos. (En Conway se puede encontrar una discusión detallada del proceso microscópico de transferencia de electrones entre un electrodo y los iones en un electrolito.) ^[38] La energía eléctrica liberada por esta reacción (213 kJ por 65,4 g de zinc) se puede atribuir principalmente debido al enlace 207 kJ más débil (menor magnitud de la energía cohesiva) del zinc, que tiene orbitales 3d y 4s llenos, en comparación con el cobre, que tiene un orbital vacío disponible para el enlace.

Si el cátodo y el ánodo están conectados por un conductor externo, los electrones pasan por ese circuito externo (bombilla en la figura), mientras que los iones pasan por el puente salino para mantener el equilibrio de carga hasta que el ánodo y el cátodo alcanzan un equilibrio eléctrico de cero voltios como equilibrio químico. se alcanza en la celda. En el proceso, el ánodo de zinc se disuelve mientras que el electrodo de cobre se recubre con cobre. ^[39] El puente salino tiene que cerrar el circuito eléctrico evitando al mismo tiempo que los iones de cobre se desplacen hacia el electrodo de zinc y se reduzcan allí sin generar una corriente externa. No está hecho de sal sino de un material capaz de absorber cationes y aniones (una sal disociada) hacia las soluciones. El flujo de cationes cargados positivamente a lo largo del puente equivale al mismo número de cargas negativas que fluyen en dirección opuesta.

Si se retira la bombilla (circuito abierto), la fem entre los electrodos se opone al campo eléctrico debido a la separación de carga y las reacciones se detienen.

Para esta química celular en particular, a 298 K (temperatura ambiente), la fem = 1,0934 V, con un coeficiente de temperatura de  = −4,53×10 ⁻⁴ V/K. ^[25] ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ ${\displaystyle d{\mathcal {E}}/dT}$

celdas voltaicas

Volta desarrolló la celda voltaica alrededor de 1792 y presentó su trabajo el 20 de marzo de 1800. ^[40] Volta identificó correctamente el papel de electrodos diferentes en la producción del voltaje, pero descartó incorrectamente cualquier papel del electrolito. ^[41] Volta ordenó los metales en una 'serie de tensión', "es decir, en un orden tal que cualquiera de la lista se vuelve positivo cuando entra en contacto con cualquiera que lo suceda, pero negativo por contacto con cualquiera que lo preceda". ". ^[42] Una convención simbólica típica en un esquema de este circuito ( – | | – ) tendría un electrodo largo 1 y un electrodo corto 2, para indicar que el electrodo 1 domina. La ley de Volta sobre las fem de los electrodos opuestos implica que, dados diez electrodos (por ejemplo, zinc y otros nueve materiales), se pueden crear 45 combinaciones únicas de celdas voltaicas (10 × 9/2).

Valores típicos

La fuerza electromotriz producida por las pilas primarias (de un solo uso) y secundarias (recargables) suele ser del orden de unos pocos voltios. Las cifras citadas a continuación son nominales, porque la fem varía según el tamaño de la carga y el estado de agotamiento de la celda.

Otras fuentes químicas

Otras fuentes químicas incluyen las pilas de combustible .

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es la producción de un campo eléctrico circulante mediante un campo magnético dependiente del tiempo. Un campo magnético dependiente del tiempo se puede producir mediante el movimiento de un imán con respecto a un circuito, mediante el movimiento de un circuito con respecto a otro circuito (al menos uno de ellos debe transportar una corriente eléctrica), o cambiando la corriente eléctrica en un circuito fijo. El efecto que tiene sobre el propio circuito el cambio de la corriente eléctrica se conoce como autoinducción; el efecto sobre otro circuito se conoce como inducción mutua .

Para un circuito dado, la fem inducida electromagnéticamente está determinada únicamente por la tasa de cambio del flujo magnético a través del circuito de acuerdo con la ley de inducción de Faraday .

Se induce una fem en una bobina o conductor siempre que hay un cambio en los enlaces de flujo . Dependiendo de la forma en que se produzcan los cambios, existen dos tipos: Cuando el conductor se mueve en un campo magnético estacionario para provocar un cambio en el enlace de flujo, la fem se induce estáticamente . La fuerza electromotriz generada por el movimiento a menudo se denomina fem del movimiento . Cuando el cambio en el enlace de flujo surge de un cambio en el campo magnético alrededor del conductor estacionario, la fem se induce dinámicamente. La fuerza electromotriz generada por un campo magnético variable en el tiempo a menudo se denomina fem del transformador .

Potenciales de contacto

Cuando sólidos de dos materiales diferentes están en contacto, el equilibrio termodinámico requiere que uno de los sólidos asuma un potencial eléctrico mayor que el otro. Esto se llama potencial de contacto . ^[43] Los metales diferentes en contacto producen lo que se conoce también como fuerza electromotriz de contacto o potencial de Galvani . La magnitud de esta diferencia de potencial a menudo se expresa como una diferencia en los niveles de Fermi en los dos sólidos cuando tienen neutralidad de carga, donde el nivel de Fermi (un nombre para el potencial químico de un sistema de electrones ^{[44] [45]} ) describe la energía necesaria para sacar un electrón del cuerpo a algún punto común (como la tierra). ^[46] Si existe una ventaja energética al llevar un electrón de un cuerpo a otro, se producirá dicha transferencia. La transferencia provoca una separación de carga: un cuerpo gana electrones y el otro los pierde. Esta transferencia de carga provoca una diferencia de potencial entre los cuerpos, que anula parcialmente el potencial que se origina en el contacto, y finalmente se alcanza el equilibrio. En el equilibrio termodinámico, los niveles de Fermi son iguales (la energía de eliminación de electrones es idéntica) y ahora existe un potencial electrostático incorporado entre los cuerpos. La diferencia original en los niveles de Fermi, antes del contacto, se conoce como fem. ^[47] El potencial de contacto no puede conducir corriente constante a través de una carga unida a sus terminales porque esa corriente implicaría una transferencia de carga. No existe ningún mecanismo para continuar dicha transferencia y, por tanto, mantener una corriente, una vez que se alcanza el equilibrio.

Uno podría preguntarse por qué el potencial de contacto no aparece en la ley de voltajes de Kirchhoff como una contribución a la suma de las caídas de potencial. La respuesta habitual es que cualquier circuito involucra no sólo un diodo o unión en particular, sino también todos los potenciales de contacto debidos al cableado, etc., alrededor de todo el circuito. La suma de todos los potenciales de contacto es cero, por lo que pueden ignorarse en la ley de Kirchhoff. ^{[48] ​​[49]}

Célula solar

El circuito equivalente de una célula solar , ignorando las resistencias parásitas.

El funcionamiento de una célula solar se puede entender a partir de su circuito equivalente . Los fotones con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor crean pares móviles electrón-hueco . La separación de carga se produce debido a un campo eléctrico preexistente asociado con la unión pn . Este campo eléctrico se crea a partir de un potencial incorporado , que surge del potencial de contacto entre los dos materiales diferentes en la unión. La separación de carga entre los huecos positivos y los electrones negativos a través del diodo p-n produce un voltaje directo , el fotovoltaje , entre los terminales iluminados del diodo, ^[50] que impulsa la corriente a través de cualquier carga adjunta. El fotovoltaje a veces se denomina fotoemf , distinguiendo entre el efecto y la causa.

Relación corriente-voltaje de la célula solar

Dos pérdidas de corriente interna limitan la corriente total disponible para el circuito externo. La separación de carga inducida por la luz eventualmente crea una corriente directa a través de la resistencia interna de la celda en la dirección opuesta a la corriente inducida por la luz . Además, el voltaje inducido tiende a polarizar directamente la unión, lo que a voltajes suficientemente altos provocará una corriente de recombinación en el diodo opuesta a la corriente inducida por la luz. ${\displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{SH}}$ ${\displaystyle R_{SH}}$ ${\displaystyle I_{L}}$ ${\displaystyle I_{D}}$

Cuando se cortocircuita la salida, el voltaje de salida se pone a cero y, por lo tanto, el voltaje a través del diodo es más pequeño. De este modo, un cortocircuito produce pérdidas mínimas y, en consecuencia, una corriente de salida máxima, que en el caso de una célula solar de alta calidad es aproximadamente igual a la corriente inducida por la luz . ^[51] Aproximadamente esta misma corriente se obtiene para tensiones directas hasta el punto en que la conducción del diodo se vuelve significativa. ${\displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ ${\displaystyle I_{L}}$

La corriente entregada por el diodo iluminado al circuito externo se puede simplificar (basándose en ciertas suposiciones) para:

${\displaystyle I=I_{L}-I_{0}\left(e^{\frac {V}{m\ V_{\mathrm {T} }}}-1\right)\ .}$

${\displaystyle I_{0}}$es la corriente de saturación inversa . Dos parámetros que dependen de la construcción de la célula solar y hasta cierto punto del voltaje mismo son el factor de idealidad m y el voltaje térmico , que es de aproximadamente 26 milivoltios a temperatura ambiente . ^[51] ${\displaystyle V_{\mathrm {T} }={\tfrac {kT}{q}}}$

Foto de células solares fem

Voltaje de salida de la célula solar para dos corrientes inducidas por luz I _L expresado como una relación con la corriente de saturación inversa I ₀ ^[52] y utilizando un factor de idealidad fijo m de 2. ^[53] Su fem es el voltaje en su intersección con el eje y .

Resolver la relación corriente-voltaje simplificada anterior del diodo iluminado para obtener resultados de voltaje de salida:

${\displaystyle V=m\ V_{\mathrm {T} }\ln \left({\frac {I_{\text{L}}-I}{I_{0}}}+1\right)\ ,}$

que se traza en la figura. ${\displaystyle I/I_{0}}$

La fotoemf de la célula solar tiene el mismo valor que el voltaje de circuito abierto , que se determina poniendo a cero la corriente de salida : ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {photo} }}$ ${\displaystyle V_{oc}}$ ${\displaystyle I}$

${\displaystyle {\mathcal {E}}_{\mathrm {photo} }=V_{\text{oc}}=m\ V_{\mathrm {T} }\ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right)\ .}$

Tiene una dependencia logarítmica de la corriente inducida por la luz y es donde el voltaje de polarización directa de la unión es suficiente para que la corriente directa equilibre completamente la corriente inducida por la luz. Para las uniones de silicio, normalmente no supera los 0,5 voltios. ^[54] Mientras que para los paneles de silicio de alta calidad puede superar los 0,7 voltios bajo la luz solar directa. ^[55] ${\displaystyle I_{L}}$

Al accionar una carga resistiva, el voltaje de salida se puede determinar usando la ley de Ohm y estará entre el valor de cortocircuito de cero voltios y el voltaje de circuito abierto . ^[56] Cuando esa resistencia es lo suficientemente pequeña como para que (la parte casi vertical de las dos curvas ilustradas), la célula solar actúe más como un generador de corriente que como un generador de voltaje, ^[57] ya que la corriente consumida es casi fija sobre una gama de voltajes de salida. Esto contrasta con las baterías, que actúan más como generadores de voltaje. ${\displaystyle V_{oc}}$ ${\displaystyle I\approx I_{L}}$

Otras fuentes que generan fem

• Un transformador que acopla dos circuitos puede considerarse una fuente de fem para uno de los circuitos, como si fuera causada por un generador eléctrico; este es el origen del término "fem del transformador".
• Para convertir ondas sonoras en señales de voltaje :
  • un micrófono genera una fem a partir de un diafragma en movimiento .
  • Un captador magnético genera una fem a partir de un campo magnético variable producido por un instrumento.
  • Un sensor piezoeléctrico genera una fem a partir de la tensión ejercida sobre un cristal piezoeléctrico .
• Los dispositivos que utilizan la temperatura para producir fem incluyen termopares y termopilas . ^[58]
• Cualquier transductor eléctrico que convierte una energía física en energía eléctrica.

Ver también

• Fuerza contraelectromotriz
• bateria electrica
• Célula electroquímica
• Celda electrolítica
• Célula galvánica
• pila voltaica

Referencias

1. "CEM". Diccionario de la herencia americana de la lengua inglesa, 3.ª ed . Houghton Mifflin. 1992.
2. "CEM" . Diccionario de ingles Oxford .
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