07/10/2015
La fuerza electromotriz (FEM) es un concepto fundamental en electricidad y electrónica. Se define como la diferencia de potencial entre los terminales de una fuente de energía cuando no circula corriente. Aunque se le llama "fuerza", en realidad es una diferencia de potencial, medida en voltios (V). Comprender cómo se grafica la FEM es crucial para analizar el comportamiento de circuitos eléctricos.
Calculando y midiendo la FEM
La FEM se puede calcular de varias maneras. Una forma es a través de la energía (E) y la carga (Q):
ε = E / Q
Donde:
- ε representa la fuerza electromotriz.
- E es la energía eléctrica en julios (J).
- Q es la carga en culombios (C).
En la práctica, medir la FEM directamente implica eliminar la influencia de la corriente. Esto se logra midiendo la tensión entre los terminales de la fuente con un voltímetro de alta impedancia, asegurando que la corriente de medida sea despreciable.
La influencia de la resistencia interna
Las fuentes reales de FEM poseen una resistencia interna (r), que afecta la tensión en los terminales cuando circula corriente. La ecuación que describe este comportamiento es:
ε = I(R + r)
Donde:
- I es la corriente en amperios (A).
- R es la resistencia externa del circuito en ohmios (Ω).
- r es la resistencia interna de la fuente en ohmios (Ω).
Esta ecuación se puede reorganizar para destacar la tensión en los terminales (V):
V = ε - Ir
Esta ecuación muestra que la tensión en los terminales es menor que la FEM, la diferencia se debe a la caída de tensión en la resistencia interna. A medida que aumenta la corriente, la caída de tensión en la resistencia interna también aumenta, reduciendo la tensión en los terminales.
Gráficas de la FEM
Existen diferentes maneras de graficar la FEM dependiendo de lo que se quiera representar.
Gráfica FEM vs. Corriente
Esta gráfica muestra la relación entre la FEM y la corriente que fluye a través del circuito. En un circuito ideal (sin resistencia interna), la FEM es constante independientemente de la corriente. La gráfica sería una línea horizontal. Sin embargo, en un circuito real, la gráfica mostrará una línea recta con pendiente negativa, debido a la caída de tensión en la resistencia interna. La intersección con el eje y representa la FEM, mientras que la pendiente es igual a -r (resistencia interna).
| Corriente (A) | Tensión en los terminales (V) |
|---|---|
| 0 | ε |
| I1 | ε - I1r |
| I2 | ε - I2r |
Gráfica FEM vs. Tiempo
En fuentes de energía como baterías, la FEM puede variar con el tiempo debido a su descarga o envejecimiento. En este caso, una gráfica de FEM vs. tiempo muestra la disminución gradual de la FEM con el uso. La forma de la gráfica dependerá de las características específicas de la fuente de energía. Para una batería ideal, la gráfica mostraría una línea horizontal hasta que se agota repentinamente. En realidad, la disminución suele ser gradual y no lineal.
Gráfica FEM en circuitos complejos
En circuitos con múltiples fuentes de FEM, la representación gráfica puede ser más compleja. Se pueden utilizar técnicas como el análisis nodal o de mallas para determinar las tensiones y corrientes en el circuito y, posteriormente, graficar las FEM de cada fuente en función de las variables relevantes. También se puede representar la FEM en función de la frecuencia en circuitos de corriente alterna (CA), donde la FEM puede variar sinusoidalmente.
Consultas habituales sobre la graficación de la FEM
Algunas preguntas comunes que surgen al graficar la FEM incluyen:
- ¿Cómo se representa la resistencia interna en la gráfica? La resistencia interna se refleja en la pendiente negativa de la gráfica FEM vs. corriente.
- ¿Cómo se interpreta la forma de la gráfica FEM vs. tiempo? La forma de la gráfica indica la velocidad de descarga de la fuente de energía.
- ¿Qué sucede con la gráfica cuando la fuente se agota? La FEM llega a cero y la gráfica intersecta el eje x.
- ¿Cómo se grafican las FEM en circuitos con múltiples fuentes? Se necesita realizar el análisis del circuito para obtener las tensiones y corrientes, y luego se pueden graficar las FEM individuales o la tensión resultante en puntos específicos.
Conclusión
Graficar la FEM permite una mejor comprensión del comportamiento de las fuentes de energía y los circuitos eléctricos. La elección del tipo de gráfica dependerá de las variables relevantes y del objetivo del análisis. Al comprender cómo se grafican diferentes aspectos de la FEM, se puede obtener una visión más profunda del funcionamiento de los sistemas eléctricos.