Fuerza electromotriz

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Acción eléctrica producida por una fuente no eléctrica

En electromagnetismo y electrónica, fuerza electromotriz (también electromotriz, abreviado emf, denotado ${mathcal {E}}$ o ${displaystyle {xi }}$ ) es una transferencia de energía a un circuito eléctrico por unidad de carga eléctrica, medido en voltios. Dispositivos llamados eléctricos transductores proporcionar un emf por convertir otras formas de energía en energía eléctrica. Otros equipos eléctricos también producen un emf, como baterías, que convierten energía química y generadores, que convierten energía mecánica. Esta conversión energética se logra por fuerzas físicas que aplican trabajo físico sobre cargas eléctricas. Sin embargo, la fuerza electromotiva en sí no es una fuerza física, y los estándares ISO/IEC han deprecado el término a favor de tensión de fuente o tensión de origen en su lugar (denominado) $U_{s}$ ).

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

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

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 se puede medir como un voltaje y, a veces, informalmente puede llamarse "voltaje", no son el mismo fenómeno (ver § Distinción con diferencia de potencial).

Resumen

Los dispositivos que pueden proporcionar fem incluyen celdas electroquímicas, dispositivos termoeléctricos, celdas solares, fotodiodos, generadores eléctricos, inductores, transformadores e incluso generadores Van de Graaff. 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 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. Se puede pensar que una celda voltaica tiene una "bomba de carga" de dimensiones atómicas en cada electrodo, es decir:

A (chemical) source of emf can be thought of as a kind of 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 u otros, la fuente de emf realiza trabajo ${textstyle {mathit {d}}W}$ a ese cargo para trasladarlo al terminal de alta potencia. El emf ${textstyle {mathcal {E}}}$ de la fuente se define como el trabajo ${textstyle {mathit {d}}W}$ por cargo ${textstyle dq}$ . ${textstyle {mathcal {E}}={frac {{mathit {d}}W}{{mathit {d}}q}}}$ .

En un generador eléctrico, un campo magnético variable en el tiempo dentro del generador crea un campo eléctrico a través de la inducción electromagnética, lo que genera una diferencia de potencial entre los terminales del generador. La separación de carga tiene lugar dentro del generador porque los electrones se alejan de 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 carga. La fem es contrarrestada por el voltaje eléctrico debido a la separación de carga. Si se adjunta una carga, este voltaje puede impulsar una corriente. El principio general que rige la fem en tales 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). Esto se llama la "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 fem" para la celda voltaica. Es decir, estas reacciones impulsan la corriente y no son una fuente inagotable de energía como pensaba la obsoleta teoría anterior. 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 celdas, sostuvo 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 es a menudo denotada por ${mathcal {E}}$ o E.

En un dispositivo sin resistencia interna, si una carga eléctrica $q$ pasar por ese dispositivo gana una energía $W$ a través del trabajo, el emf neto para ese dispositivo es la energía obtenida por unidad carga: ${textstyle {tfrac {W}{Q}}.}$ Al igual que otras medidas de energía por carga, emf utiliza el volt de unidad SI, que equivale a un joule (unidad de energía I) por coulomb (unidad de carga I).

La fuerza electromotriz en unidades electrostáticas es el estatvoltio (en el segundo sistema de unidades centigramo igual en cantidad a un erg por unidad electrostática de carga).

Definiciones formales

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

{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 ${displaystyle {boldsymbol {E}}_{mathrm {open circuit} }}$ es el campo electrostático conservador creado por la separación de carga asociada con el emf, $mathrm {d} {boldsymbol {ell }}$ es un elemento del camino desde el terminal N a terminal P, ' $cdot$ 'denota el producto del punto vector, y $V$ es el potencial de escalar eléctrico. Este emf es el trabajo realizado en una unidad cargada por el campo no eléctrico de la fuente ${displaystyle {boldsymbol {E}}'}$ cuando la carga se mueve de N a P.

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

En el caso de un camino cerrado en presencia de un campo magnético variable, la parte integral del campo eléctrico alrededor del bucle cerrado (estacionario) $C$ puede ser no cero. Entonces, el "induced emf" (a menudo llamado el "tensión inducida") en el bucle es:

{displaystyle {mathcal {E}}_{C}=oint _{C}{boldsymbol {E}}cdot mathrm {d} {boldsymbol {ell }}=-{frac {dPhi _{C}}{dt}}=-{frac {d}{dt}}oint _{C}{boldsymbol {A}}cdot mathrm {d} {boldsymbol {ell }}}

Donde $boldsymbol{E}$ es todo el campo eléctrico, conservador y no conservador, y el integral está alrededor de una curva arbitraria, pero estacionaria, cerrada $C$ a través de la cual hay un flujo magnético de tiempo ${displaystyle Phi _{C}}$ , y ${boldsymbol {A}}$ es el potencial vectorial. El campo electrostático no contribuye al éter de red 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, ver la ley de voltaje de Kirchhoff, que es válida, siempre y cuando los elementos del circuito permanezcan en reposo y se ignore la radiación). Es decir, el "empf inducido" (como el emf de una batería conectada a una carga) no es un "voltaje" en el sentido de una diferencia en el potencial de escalar eléctrico.

Si el bucle $C$ es un conductor que lleva corriente $I$ en la dirección de la integración alrededor del bucle, y el flujo magnético se debe a esa corriente, tenemos que ${displaystyle Phi _{B}=LI}$ , donde $L$ es la auto inductancia del bucle. Si además, el bucle incluye una bobina que se extiende desde el punto 1 al 2, de tal manera que el flujo magnético se localiza en gran medida a esa región, es habitual hablar de esa región como ductor, y considerar que su emf se localiza en esa región. Entonces, podemos considerar un bucle diferente $C'$ que consiste en el conductor coiled de 1 a 2, y una línea imaginaria por el centro de la bobina de 2 a 1. El flujo magnético, y emf, en bucle $C'$ es esencialmente lo mismo que en el bucle $C$ :

{displaystyle {mathcal {E}}_{C}={mathcal {E}}_{C'}=-{frac {dPhi _{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 director, ${displaystyle {boldsymbol {E}}_{mathrm {conductor} }}$ es insignificante, así que tenemos, a una buena aproximación,

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

V

Por lo tanto, podemos asociar una efectiva "caída de tensión" ${displaystyle L dI/dt}$ con un inductor (aunque nuestra comprensión básica de emf inducido 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 sum {mathcal {E}}_{mathrm {source} }=sum _{mathrm {load elements} }mathrm {voltage drops}}

donde ahora la fem inducida no se considera una fem fuente.

Esta definición puede extenderse a fuentes arbitrarias de emf y caminos $C$ moverse con velocidad ${boldsymbol {v}}$ a través del campo eléctrico $boldsymbol{E}$ y campo magnético ${boldsymbol {B}}$ :

{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}}}

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

En termodinámica (electroquímica)

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

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

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

La combinación ${displaystyle ({mathcal {E}},Q)}$ es un ejemplo de un par conjugado de variables. A presión constante la relación anterior produce una relación Maxwell que vincula el cambio en el voltaje de célula abierta con la temperatura $T$ (una cantidad mensurable) al cambio de entropía $S$ cuando la carga se transmite esotérmicamente y isobaricamente. Este último está estrechamente relacionado con la reacción entropía de la reacción electroquímica que otorga a la batería su poder. Esta relación Maxwell es:

{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 de Daniell, como se explica a continuación), la carga a través del circuito externo es:

{displaystyle Delta Q=-n_{0}F_{0}}

Donde $n_{0}$ es el número de electrones/ion, y ${displaystyle F_{0}}$ es la constante de Faraday y el signo menos indica la descarga de la célula. Asumiendo presión y volumen constantes, las propiedades termodinámicas de la célula se relacionan estrictamente con el comportamiento de su emf por:

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

Donde $Delta H$ es el enthalpy de la reacción. Las cantidades a la derecha son directamente mensurables. Suponiendo temperatura y presión constantes:

{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, son conceptos formalmente distintos:

Emf es la causa de una diferencia potencial. La diferencia potencial a su vez es una causa de flujo actual.
La diferencia potencial en sí misma no es la causa de un emf.
- Considere la ley de voltaje de Kirchhoff, que dice que la suma de diferencias potenciales que pasan por cualquier bucle en un circuito es cero. Para un circuito de una fuente de tensión y un resistor, la suma de la tensión aplicada de la fuente más la caída de voltaje ohmico a través del resistor es cero. Pero el resistor no proporciona emf, sólo la fuente de tensión lo hace:
  - Para un circuito utilizando una fuente de batería, el emf se debe únicamente a la química en la batería que causa la separación de carga, que genera una diferencia potencial.
  - Para un circuito que utiliza un generador eléctrico, el emf se debe únicamente a un campo magnético que varia tiempo dentro del generador que causa la separación de carga, lo que genera una diferencia potencial.
Tanto un emf de 1 voltio como una diferencia potencial de 1 voltio corresponden a 1 joule por coulomb de carga. Sin embargo:
- a 1 volt emf significa que la fuente proporciona una energía de 1 júulo a cada coulomb de carga que pasa.
- a 1 voltio diferencia potencial entre dos puntos en un circuito significa que cada coulomb de carga tendrá que:
  - ganar 1 júulo de energía para avanzar en esa diferencia potencial,
  - o renunciar a 1 joule de energía para bajar esa diferencia potencial.

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 lo que se llama células reversibles.

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

La "diferencia potencial" no es la misma que "inducida emf" (a menudo llamada "tensión inducida"). La diferencia potencial (diferencia en el potencial del escalar eléctrico) entre dos puntos A y B es independiente del camino que tomamos A a B. Si un voltímetro siempre mide la diferencia potencial entre A y B, entonces la posición del voltímetro no haría ninguna diferencia. Sin embargo, es bastante posible para la medición por un voltímetro entre puntos A y B depender de la posición del voltímetro, si un campo magnético dependiente del tiempo está presente. Por ejemplo, considere un solenoide infinitamente largo utilizando una corriente AC para generar un flujo variable en el interior del solenoide. Fuera del solenoide tenemos dos resistores conectados en un anillo alrededor del solenoide. El resistor a la izquierda es 100 Ω y el de la derecha es 200 Ω, están conectados en la parte superior e inferior en puntos A y B. El voltaje inducido, por la ley de Faraday es $V$ , así que la corriente ${displaystyle I=V/(100+200).}$ Por lo tanto el voltaje a través de la resistencia 100 Ω es ${displaystyle 100 I}$ y el voltaje a través de la resistencia de 200 Ω es ${displaystyle 200 I}$ , sin embargo los dos resistores están conectados en ambos extremos, pero ${displaystyle V_{AB}}$ medido con el voltímetro a la izquierda del solenoide no es el mismo que ${displaystyle V_{AB}}$ medido con el voltímetro a la derecha del solenoide.

Generación

Fuentes químicas

Un camino de reacción típico requiere que los reaccionarios iniciales crucen una barrera energética, entren en un estado intermedio y finalmente surjan en una configuración de energía inferior. Si la separación de carga está involucrada, esta diferencia de energía puede resultar en un emf. See Bergmann et al. y estado de transición.

Celda galvánica con puente de sal

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

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 reorganiza los enlaces y reduce la energía (libre) del sistema. 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'). #34;) por otro (reacciones de reducción-oxidación o redox). La reacción general espontánea solo puede ocurrir si los electrones se mueven a través de un cable externo entre los electrodos. La energía eléctrica desprendida es la energía libre perdida por el sistema de reacción química.

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

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

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

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

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

lo que deja un déficit de electrones en el cátodo de cobre. La diferencia de exceso de electrones en el ánodo y 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). La energía eléctrica liberada por esta reacción (213 kJ por 65,4 g de zinc) puede atribuirse principalmente a la 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 enlazar.

Si el cátodo y el ánodo están conectados por un conductor externo, los electrones pasan a través de ese circuito externo (bombilla en la figura), mientras que los iones pasan a través del puente salino para mantener el equilibrio de carga hasta que el ánodo y el cátodo alcanzan el equilibrio eléctrico de cero voltios. a medida que se alcanza el equilibrio químico en la célula. En el proceso, el ánodo de zinc se disuelve mientras que el electrodo de cobre se recubre con cobre. El puente salino tiene que cerrar el circuito eléctrico evitando 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) en las soluciones. El flujo de cationes con carga positiva a lo largo del puente es equivalente al mismo número de cargas negativas que fluyen en dirección opuesta.

Si se quita 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 particular, a 298 K (temperatura de la habitación), el emf ${mathcal {E}}$ = 1.0934 V, con un coeficiente de temperatura de ${displaystyle d{mathcal {E}}/dT}$ = 4,53×10⁻⁴ V/K.

Células voltaicas

Volta desarrolló la celda voltaica alrededor de 1792 y presentó su trabajo el 20 de marzo de 1800. Volta identificó correctamente el papel de los electrodos diferentes en la producción del voltaje, pero descartó incorrectamente cualquier papel del electrolito. Volta ordenó los metales en una 'serie de tensión', "es decir, en un orden tal que cualquiera de la lista se vuelve positivo al contacto con cualquiera que tenga éxito, pero negativo al contacto con cualquiera que le preceda." Una convención simbólica típica en un esquema de este circuito (–||–) tendría un electrodo largo 1 y un electrodo corto 2, para indican que el electrodo 1 domina. La ley de Volta sobre las fem de 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 que producen 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.

EMF	Química Celular			Nombre común
EMF	Anode	Solvente, electrolito	Cathode	Nombre común
1.2 V	Cadmio	Agua, hidroxido de potasio	NiO(OH)	nickel-cadmium
1.2 V	Mischmetal (hidrógeno absorbente)	Agua, hidroxido de potasio	Nickel	niquel–hidrometal
1,5 V	Zinc	Agua, amonio o cloruro de zinc	Carbono, dióxido de manganeso	Carbono de zinc
2.1 V	Lead	Agua, ácido sulfúrico	Dióxido de plomo	Lead-acid
3,6 V a 3,7 V	Gráfico	solvente orgánico, Salinas de li	LiCoO₂	Litio-ion
1.35 V	Zinc	Hidroxido de agua, sodio o potasio	HgO	Célula de mercurio

Otras fuentes químicas

Otras fuentes químicas incluyen las celdas de combustible.

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es la producción de un campo eléctrico circulante por un campo magnético dependiente del tiempo. Un campo magnético dependiente del tiempo se puede producir ya sea por el movimiento de un imán con respecto a un circuito, por el movimiento de un circuito con respecto a otro circuito (al menos uno de estos debe transportar una corriente eléctrica), o cambiando la corriente eléctrica en un circuito fijo. El efecto sobre el circuito mismo, de cambiar 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 un conductor cada vez que hay un cambio en los enlaces de flujo. Dependiendo de la forma en que se produzcan los cambios, hay dos tipos: Cuando el conductor se mueve en un campo magnético estacionario para provocar un cambio en el enlace de flujo, la fem es inducida estáticamente. La fuerza electromotriz generada por el movimiento a menudo se denomina fem de movimiento. Cuando el cambio en el enlace de flujo surge de un cambio en el campo magnético alrededor del conductor estacionario, la fem es inducida dinámicamente. La fuerza electromotriz generada por un campo magnético que varía con el tiempo a menudo se denomina transformador fem.

Potenciales de contacto

Cuando los sólidos de dos materiales diferentes están en contacto, el equilibrio termodinámico requiere que uno de los sólidos asuma un potencial eléctrico más alto que el otro. Esto se llama el potencial de contacto. Los metales disímiles en contacto producen lo que también se conoce 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 carga neutral, donde el nivel de Fermi (un nombre para el potencial químico de un sistema de electrones) describe la energía necesaria para eliminar un electrón. desde el cuerpo hasta algún punto común (como el suelo). Si existe una ventaja energética al llevar un electrón de un cuerpo a otro, se producirá tal transferencia. La transferencia provoca una separación de carga, con un cuerpo ganando electrones y el otro perdiendo electrones. Esta transferencia de carga provoca una diferencia de potencial entre los cuerpos, que cancela en parte 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 remoción 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 denomina fem. El potencial de contacto no puede impulsar una 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 tal transferencia y, por lo 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 solo un diodo o unión en particular, sino también todos los potenciales de contacto debido 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.

Célula solar

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

El funcionamiento de una celda solar puede entenderse a partir de su circuito equivalente. Los fotones con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor crean pares móviles de electrones y huecos. La separación de carga ocurre debido a un campo eléctrico preexistente asociado con la unión p-n. 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 del diodo iluminado, que impulsa la corriente a través de cualquier conector conectado. carga. Fotovoltaje a veces se denomina foto fem, distinguiendo entre el efecto y la causa.

Relación corriente-voltaje de celda solar

Dos pérdidas corrientes internas ${displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ limitar la corriente total $I$ disponible para el circuito externo. La separación de carga inducida por la luz finalmente crea una corriente avanzada ${displaystyle I_{SH}}$ a través de la resistencia interna de la célula ${displaystyle R_{SH}}$ en la dirección frente a la corriente inducida por la luz $I_{L}$ . Además, el voltaje inducido tiende a adelantar el sesgo de la unión, que a altas tensiones causará una corriente de recombinación ${displaystyle I_{D}}$ en el diodo frente a la corriente inducida por la luz.

Cuando la salida es corta, el voltaje de salida es cero, y por lo tanto el voltaje a través del diodo es más pequeño. Así, los resultados de cortocircuito en los más pequeños ${displaystyle I_{SH}+I_{D}}$ pérdidas y, en consecuencia, la corriente máxima de salida, que para una célula solar de alta calidad es aproximadamente igual a la corriente inducida por la luz ${displaystyle I_{L}}$ . Aproximadamente esta misma corriente se obtiene para voltajes hacia adelante hasta el punto en que la conducción del diodo se hace significativa.

La corriente entregada por el diodo iluminado al circuito externo se puede simplificar (según ciertas suposiciones) a:

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

$I_{0}$ es la corriente de saturación inversa. Dos parámetros que dependen de la construcción de la célula solar y en cierto grado del voltaje en sí son el factor idealidad m y el voltaje térmico ${displaystyle V_{mathrm {T} }={tfrac {kT}{q}}}$ , que es alrededor de 26 milivolts a temperatura ambiente.

Foto de celda solar fem

Tensión de salida de célula solar para dos corrientes inducidas por la luz I_L expresado como una relación con la corriente de saturación inversa I₀ y utilizando un factor de idealidad fijo m de 2. Su emf es el voltaje en su interceptación de eje y.

Resolviendo la relación corriente-voltaje simplificada del diodo iluminado anterior para los rendimientos de voltaje de salida:

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

que se trama contra ${displaystyle I/I_{0}}$ en la figura.

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

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

Tiene una dependencia logarítmica de la corriente inducida por la luz $I_{L}$ y es donde el voltaje de sesgo delantero de la unión es suficiente que la corriente delantera equilibra completamente la corriente inducida por la luz. Para las uniones de silicio, normalmente no es mucho más de 0,5 voltios. Mientras que para paneles de silicio de alta calidad puede superar 0,7 voltios en la luz solar directa.

Al conducir una carga resistiva, el voltaje de salida se puede determinar utilizando la ley de Ohm y se situará entre el valor de cortocircuito de cero voltios y el voltaje de circuito abierto $V_{{oc}}$ . Cuando esa resistencia es lo suficientemente pequeña ${displaystyle Iapprox I_{L}}$ (la parte casi vertical de las dos curvas ilustradas), la célula solar actúa más como una generador actual en lugar de un generador de voltaje, ya que la corriente dibujada está casi fijada sobre una gama de voltajes de salida. Esto contrasta con las baterías, que actúan más como generadores de tensión.

Otras fuentes que generan fem

Un transformador que acopla dos circuitos puede considerarse una fuente de emf para uno de los circuitos, como si fuera causado por un generador eléctrico; este es el origen del término "transformer emf".
Para convertir ondas de sonido en señales de tensión:
- un micrófono genera un emf de un diafragma en movimiento.
- una camioneta magnética genera un emf de un campo magnético variable producido por un instrumento.
- un sensor piezoeléctrico genera un emf de la tensión en un cristal piezoeléctrico.
Los dispositivos que utilizan la temperatura para producir emfs incluyen termopares y termopilas.
Cualquier transductor eléctrico que convierte una energía física en energía eléctrica.

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