¿Qué es la fuerza electromotriz (FEM)? ¿Cómo se relaciona con la diferencia de potencial?

Fuerza electromotriz, abreviada como EMF y denotada por$\varepsilon$, no es una fuerza. Se define como la energía utilizada para ensamblar una carga en el electrodo de una batería cuando el circuito está abierto. Simplemente, es el trabajo realizado por unidad de carga que es la diferencia de potencial entre los electrodos de la batería medida en voltios. Matemáticamente,$\textbf{V} = \frac{\textbf{W}}{\textbf{q}}$.

Inicialmente, la energía está disponible en forma de energía química. Esta energía se utiliza para cargar, digamos$+q$al ánodo al vencer la fuerza de atracción electrostática debida a las cargas negativas del cátodo y la fuerza de repulsión electrostática debida a las cargas positivas del ánodo. La energía química luego se transforma en energía potencial electrostática presente en el campo eléctrico entre los electrodos de la batería.

No me gusta el término EMF (fuerza electromotriz), ya que es muy confuso.

Fuerza electromotriz , también llamada fem (denotada$\mathcal{E}$y medido en voltios), es el voltaje desarrollado por cualquier fuente de energía eléctrica como una batería o dínamo.

Lo que significa que todos los EMF son voltajes pero no todos los voltajes son EMF. Un voltaje es solo un EMF si es una fuente de energía.

Algo así como la distinción entre la luz luminiscente (de una bombilla) y la luz reflejada (de su escritorio) si la mide, no hay una diferencia física medible. La única diferencia es que uno es una fuente y el otro no.

El enlace que ha proporcionado responde a casi todas sus respuestas, pero aún así citaré y explicaré un poco más.

Primero La palabra "fuerza" en este caso no se usa para significar fuerza mecánica, medida en newtons, sino un potencial, o energía por unidad de carga, medida en voltios.

No es ni la creación de potencial, ni es un proceso y ni siquiera es una fuerza. Llegó a ser conocido como una fuerza porque la interpretación errónea en el pasado hizo que pareciera como si una fuerza de la batería empujara las partículas en un circuito. Este análisis obviamente fue descartado más tarde, ¡pero el nombre prevalece!

En los circuitos eléctricos, la fem y el potencial tienen una diferencia significativa. Mientras que la fem es la diferencia de potencial entre los terminales de una fuente en circuito abierto, el potencial es la diferencia de potencial entre los terminales en uno cerrado.

El potencial se define como$V = \epsilon - Ir$. Aquí$\epsilon$es la fem de la fuente y$Ir$es la caída potencial de la resistencia interna. Está bastante claro que reemplazar el potencial con fem en cualquier tipo de circuito no es una decisión muy acertada, sin embargo, a veces la caída potencial en la resistencia interna es insignificante.

No hay creación de nada, pero se puede suponer que un circuito crea un voltaje cuando la potencia, la combinación de ese voltaje y cualquier corriente que fluya de él, se ha obtenido "fuera del circuito", por ejemplo, a través de procesos químicos ( baterías) o procesos electromagnéticos (dínamo que convierte energía mecánica en eléctrica). Este voltaje muy particular es su fuerza electromotriz en sus circuitos, por ejemplo, la fuerza contraelectromotriz de los devanados de un motor. Es un concepto que existe también en los circuitos magnéticos (para el panorama general), ver fuerza magnetomotriz.

Cabe señalar que la palabra fuerza electromotriz es un nombre inapropiado. No representa fuerza sobre los portadores de electricidad. En cambio, representa la diferencia de potencial entre los dos polos en un circuito abierto (cuando no se extrae corriente de la celda).

La relación entre la fem y el potencial es exactamente la misma que la relación entre el trabajo y la energía potencial. La fem de un elemento del circuito es el trabajo por unidad de carga realizado sobre las cargas del sistema. A menudo, esa fem se asocia con una diferencia de potencial (energía potencial por unidad de carga), en cuyo caso los dos son intercambiables. Ambos se pueden medir en unidades de voltios, por lo que se les puede llamar "voltaje". Una resistencia aplica una fem de -IR a las cargas que se mueven a través de ella, por lo que la diferencia de potencial a través de la resistencia es IR (específicamente, una caída de IR si sigue la corriente).

Un caso en el que la fem NO está asociada con una diferencia de potencial es cuando es inducida por un cambio en el flujo magnético. En un circuito con corriente inducida, si sumas las diferencias de potencial alrededor de un circuito, no obtendrás cero, aunque termines en el mismo lugar donde comenzaste. Esto se debe a que el flujo magnético cambiante a través del circuito está haciendo trabajo (por unidad de carga) desde el exterior, pero no hay dos puntos en el circuito en los que pueda colocar un voltímetro para medir eso directamente. La fem inducida aún se puede medir en voltios, por lo que a veces se denomina "voltaje de bucle", ¡pero ese es un voltaje sin diferencia! ;-)

Todos los campos electromagnéticos son voltajes, pero no todos los voltajes son campos electromagnéticos. Dejame explicar.

Si el voltaje es producido por una fuente no eléctrica, llamamos fem a ese voltaje; de ​​lo contrario, si la fuente es puramente eléctrica, llamamos al voltaje voltaje en sí mismo y no FEM.
Por ejemplo, una batería convierte la energía química en energía eléctrica. Aquí, la fuente del voltaje es química (no eléctrica), por lo tanto, el voltaje a través de una batería se puede llamar fem. Lo mismo con los generadores, la fuente es mecánica, por lo tanto, fem, también lo mismo con los inductores, la fuente es magnética, por lo tanto, fem. Pero el voltaje a través de un capacitor cargado no puede llamarse fem porque la fuente son cargas eléctricas que son puramente eléctricas.

Aquí hay una explicación similar de Wikipedia :

En electromagnetismo y electrónica, la fuerza electromotriz o EMF (medida en voltios) es la acción eléctrica producida por una fuente no eléctrica. Los dispositivos (conocidos como transductores) proporcionan una fem al convertir otras formas de energía en energía eléctrica, como las baterías (que convierten la energía química) o los generadores (que convierten la energía mecánica). A veces se usa una analogía con la presión del agua para describir la fuerza electromotriz. (La palabra "fuerza" en este caso no se usa para referirse a fuerzas de interacción entre cuerpos).
En la inducción electromagnética, la fem se puede definir alrededor de un circuito cerrado de conductor como el trabajo electromagnético que se realizaría sobre una carga eléctrica (un electrón en este caso) si viaja una vez alrededor del circuito.

Entonces, para resumir, aquí está la definición de EMF:

El voltaje producido por una fuente no eléctrica se llama EMF.

La FEM de una fuerza puede definirse como el trabajo para transportar una unidad de carga positiva desde la fuerza motriz eléctrica más baja (electrodo negativo) a la más alta (electrodo positivo).