CAPITULO IV.-ELECTRODINAMICA (Continuación)

4.4 FUERZA ELECTROMOTRIZ, CONTRAELECTROMOMOTRIZ Y DIFERENCIA DE POTENCIAL. 

El concepto de diferencia de potencial (d.d.p.) ha sido suficientemente tratado:  

Es la diferencia entre los potenciales de dos puntos de un circuito, y se expresa en voltios. Se le puede llamar tambien voltaje o tensión. 

Ahora bien, una diferencia de potencial puede ser producida por dos causas bien distintas: 

  1. Una corriente I, proviniente de algún dispositivo exterior, circula por una resistencia R,  produce en ella una d.d.p. de valor V = R x I. 
  2. Esto se conoce como CAIDA DE POTENCIAL. Se dice, por ejemplo, que :

      Una corriente de 2 A. a través de una resistencia de 10 W produce una caida en sus extremos de 20 V. (V = R x I = 10 x 2 = 20 V).
     
  3. Un generador produce una d.d.p., y es capaz de entregar corriente a otros dispositivos. 
    1.  
    Esto es, al contrario que en el caso anterior, una SUBIDA DE POTENCIAL
      Los generadores crean subidas de potencial que contrarrestan las caidas que se producen en las cargas (Obsérvese que esto es la 1ª Ley de Kirchoff).
Esta diferencia de potencial producida por los generadores, capaz de elevar las cargas eléctricas de un potencial a otro más alto, es lo que se conoce como FUERZA ELECTROMOTRIZ.  La fuerza electromotriz (f.e.m.) de un generador es la diferencia de potencial que se mide en sus bornes (sus extremos) cuando está en circuito abierto, es decir, sin suministrar corriente. 

En efecto, cuando se carga un generador, (porque conectamos por ejemplo una resistencia o cualquier otro tipo de receptor), circula una corriente

Esta corriente produce una caida de potencial en la propia resistencia interna del generador, que se resta de su f.e.m., dando como resultado que la tensión presente en bornes del generador cargado es menor que su f.e.m. 

Recordar :

que la resistencia interna del generador es una resistencia fictícia, (no existe como tal resistencia en su interior) sino que el generador se comporta como si la tuviera.
 
                  Ri = 1 W
+ 
  
RL = 4 W 
  
-

Tensión en vacio = 10 V (f.em.).-Es la tensión entre los puntos A y B cuando RL no está conectada y por tanto no circula corriente. 

Entre los puntos A y B y mirando hacia la izquierda hemos colocado el circuito equivalente a un generador real, que se compone de un generador ideal de E = 10 V. en serie con una resistencia (resistencia interna del generador) de valor Ri = 1W

Al conectar la resistencia de carga RL = 4 W  , (ver figura anterior) circulará una corriente desde el el punto A hacia el B a través de la resistencia de carga RL de valor:  I = E / (Ri + RL) = 10 / (1 + 4) = 10 / 5 = 2 A.

La diferencia de potencial entre los puntos A y B, extremos de la carga RL = 4 W se le denomina tensión de carga VL. 

¿ Qué diferencia de potencial tenemos entre los puntos A y B que son los extremos por un lado de la carga y por el otro de nuestro generador real ? 

Podemos calcularlo de dos maneras: 

1ª.-  La tension VL es igual a la f.e.m.E = 10 V. menos la caida de tensión en los extremos de su resistencia interna Ri.

La caida de tensión o voltaje en Ri es igual al producto de dicho valor por la corriente I   
VRi = Ri x I = 1 x 2 = 2V.
por lo que:  VL = E - VRi = 10 - 2 = 8 V.

2ª.-  Aplicando directamente la ley de OHM en los extremos de RL tenemos que:   
VL = RL x I = 4 x 2 = 8 V.

que es el mismo valor, lógicamente, del que hemos calculado en primer lugar.

Existen otros tipos de cargas distintas a las puramente resistivas, como son, por ejemplo, los motores. En éstos, parte de la energía eléctrica consumida se disipa en forma de calor (pérdida de energía) y otra fracción de dicha energía se emplea en producir un trabajo mecánico (trabajo útil). 

Para el estudio de los motores, se pueden suponer éstos como un generador, cuya fuerza electromotriz se opone al paso de la corriente, por lo que se le llama FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ, en serie con una resistencia interna

La potencia disipada en dicha resistencia interna será precisamente la potencia perdida en forma de calor, y la potencia disipada en el generador en forma de fuerza contraelectromotriz, será la potencia útil transformada en trabajo mecánico. 

Ejemplo: 
Un generador de E =10 V. de f.e.m. y 0,5  de resistencia interna está conectado a un motor de E' = 8 V. de f.c.e.m. y 1,5  de resistencia interna

 
                         0,5 W                                                    1,5 W
10 V

   <----------generador real--------->       <-----------motor real---------------> 

8 V.
 
Aquí tenemos el circuito equivalente, donde observamos que, todos sus elementos están en serie. Por lo que la corriente I que circula, es la misma para todos, y será igual al cociente entre: la suma de las tensiones de los generadores del circuito y la suma de las resistencias.- (Ley de OHM). 

Como la f.c.e.m. del motor se opone a la f.e.m. del generador, tendremos que la primera es negativa respecto a la segunda, con lo que dicha suma de tensiones es igual a 10 - 8 = 2 V. 

La suma de todas las resistencias es igual 0,5 + 1,5 = 2 W . 

Por lo que  

I = (10 - 8) / (0,5 + 1,5) = 2 / 2 = 1 A.

Veamos las potencias:

Potencia suministrada por el generador: (recordar que P = V x I) 

PG = E x I = 10 x 1 = 10 W. 

Potencia disipada en calor en el interior del generador: (recordar que P = R x I2) 

P1 = 0,5 x 12 = 0,5 W.

  Potencia disipada en calor en el interior del motor: 

P2 = 1,5 x 12 = 1,5 W.

  Potencia transformada en trabajo mecánico del motor: 

  PW = E' x I = 8 x 1 = 8 W.

En efecto, observar que la potencia suministrada por el generador es igual a la suma de los otros tres términos de potencia: (la energía ni se pierde ni se destruye sino que se transforma) 

  PG = P1 + P2 + PW 

  10 = 0,5 + 1,5 + 8

Un motor ideal será aquel que no tenga resistencia interna, es decir, que no disipe calor y, por tanto, toda la energía eléctrica recibida la transforme en trabajo mecánico. 

La f.c.e.m. debe ser siempre menor que la f.e.m. del generador, ya que, en caso contrario, funcionarían al revés: sería el motor el que entregará energía al generador.(Y eso no es posible).

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