Divulgación Fuerza electromotriz vs potencial

[Visitante]

Esto es una curiosidad ¿Cuál es la diferencia entre fuerza electromotriz, diferencia de potencial, diferencia de voltaje y tensión eléctrica?
¿cuál es la diferencia entre voltaje y potencial eléctrico?

[Mossy]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Diferencia de potencial, tensión eléctrica y voltaje son sinónimos. La palabra fuerza electromotriz se aplica cuando se habla de inducción electromagnética, y matemáticamente viene siendo la variación del flujo magnético con respecto al tiempo. En la wikipedia puedes leer más información. Y el potencial eléctrico es la energía potencial eléctrica por unidad de carga, que encontrarás en cualquier texto de electrostática básica. La diferencia de potencial entre dos puntos es la diferencia (resta) de los potenciales que hay en dichos puntos.

[Julián]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Primero tenés que saber que el potencial eléctrico es el trabajo del campo eléctrico en llevar una carga positiva de valor unidad desde un punto (r) de otra carga hasta el infinito, que es el punto tomado como referencia.

$\dst V={\int}_{{r}}^{\infty} \vec{E} . d\vec{l}$

Ahora lo anterior es una definición con poco uso en la realidad, es decir, las cargas realizan movimientos entre ellas separándose distancias finitas. Aunque 1 metro para dos electrónes es "infinito" (ya que este es un concepto y no un número). Así que la diferencia de potencial es el trabajo del campo eléctrico en llevar una carga positiva de valor unidad desde un punto hasta otro.

$\dst \Delta V= {\int}_{A}^{B} \vec{E} . d\vec{l}= {V}_{B} - {V}_{A}$

Siendo ${V}_{B}$ y ${V}_{A}$ los potenciales en dichos puntos. Lo anterior es muy facil de medir, ya que la diferencia de potencial es el trabajo del campo eléctrico entre los 2 puntos por cada unidad de carga. Por ejemplo una resistencia eléctrica, al tener una velocidad promedio constante los electrones, todo el trabajo se transforma en calor.

Lo anterior, es decir, el trabajo del campo eléctrico entre 2 puntos cuando el campo eléctrico es producido por una acumulación de cargas eléctricas es conservativo. Es decir, el trabajo del campo no depende de que camino tomó para ir de A a B, por eso es posible calcularlo como la diferencia de los potenciales. Pero hay "otro tipo" de trabajo que puede realizar el campo eléctrico y es cuando el campo no es producido por una acumulación de carga sino por una variación del flujo magnético en una superficie cerrada, y este último es denomina fuerza electromotriz:

$\dst V= - \frac{\mathrm{d} \Phi}{\mathrm{d} t} = {\int}_{c} \vec{E} . d \vec{l}$

Ahora si el trabajo del campo depende del camino seguido y no se puede calcular como la diferencia entre el potencial entre los puntos.

Por último voltaje es igual a diferencia de potencial y es igual a tensión eléctrica.

[Visitante]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Entonces la diferencia de voltaje/potencial/tensión eléctricca se llama así porque es eltrabajo realizado por el campo eléctrico y la fuerza elecrtomotriz cuando lo hace un campo magnético?Y la última duda, por qué una diferencia de potencial produce corriente?

[Mossy]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Y la última duda, por qué una diferencia de potencial produce corriente?

Produce una corriente para equilibrar potenciales (sabrás que la corriente es el flujo de electrones). Es una situación parecida a cuando dos cuerpos a distinta temperatura alcanzan el equilibrio térmico a través del flujo de calor. O cuando estás en la estación espacial y abres la compuerta y todos los gases escapan para intentar equilibrar presiones.

[Richard R Richard]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

La fuerza electromotriz o "fem" también la puedes encontrar en los textos como la diferencia de potencial generada por cualquier dispositivo generador de corriente eléctrica por ejemplo baterías, generadores eléctricos a explosion (grupo electrógeno), pilas, etc. Es lo que propiamente genera el equipo, a la vez, todo equipo tiene una resistencia interna (en el cableado, conexiones...),por ello esta fem siempre es mayor que lo que obtienes como diferencia de potencial o voltaje entre bornes(o entre la puntas de la pila).

Como bien te han explicado el potencial electrico , es una medida que no se usa, pero si la diferencia de potenciales, esto es lo que habitualmente usas en la practica, una pila de 1,5 V de diferencia de potencial entre puntas, y no sabes cual es el potencial en cualquiera de las puntas , lo util es la diferencia entre ellas.

Cuando te refieres a voltaje te refieres a una diferencia de potencial entre dos puntos. Llamemosle A y B , el potencial de cada uno es el trabajo de traer desde el infinito hasta el punto A o B las cargas que cada uno tiene(asi se define el potencial). Entonces cualquier corriente que quieras hacer fluir desde el punto de mayor potencial al de menor potencial, estará en relación a la diferencia de los potenciales de los puntos. Si el punto A tiene un potencial de 22V y el B 10 V tienes tienes 12 V entre ambos eso el lo importante, Lo mismo da que tuvieran 1012V y 1000V respectivamente, la diferencia de potencial entre ambos es la misma osea el voltaje entre ellos es el mismo y es por ello que no se usan los potenciales individuales y si la diferencia entre ellos. Por "voltaje" se entiende a la expresión vulgar de diferencia de potencial, proveniente de la deformación del apellido de Alessandro Volta. Decir tenisón electrica es un termino mas ingenieril o fisico pero refieren a la misma diferencia de potencial eléctrico.

[Julián]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Entonces la diferencia de voltaje/potencial/tensión eléctricca se llama así porque es eltrabajo realizado por el campo eléctrico y la fuerza elecrtomotriz cuando lo hace un campo magnético?

No, siempre el trabajo lo realiza el campo eléctrico. La diferencia es lo que causa el campo eléctrico ya que hay 2 forma de producir un campo eléctrico. Uno es mediante una densidad de carga eléctrica lo que produce un campo eléctrico conservativo y otra es mediante la variación del flujo magnético lo que que produce la circulación de un campo eléctrico que no es conservativo.

Y la última duda, por qué una diferencia de potencial produce corriente?

No siempre produce corriente. Por ejemplo cuando no conectás nada a los tomas de tu casa no hay corriente pero si hay diferencia de potencial. Porque el campo eléctrico tiene capacidad para realizar un trabajo o un cambio, lo haga o no. Cuando conectás una carga, la cual tiene electrones libres de conducción el campo eléctrico los mueve, como toda impedancia tiene una resistencia estos electrones acelerados por el campo "golpean" con atomos fijos o con otros electrones por lo que se frenan y aceleran frenan aceleran y llegan a una velocidad constante y toda esa capacidad para producir trabajo del campo eléctrico se transforma en calor, salvo que tenga componente reactiva en donde parte de la energía se almacena. Ahora si conectaras un conductor perfecto e ideal, el cual no tiene resistencia, es decir, ninguna impureza con que los electrones choquen el campo eléctrico solamente acelera los electrones y toda la diferencia de potencial por la carga total se trasnforma en energía cinética.

Como es imposible medir el campo eléctrico en el interior de un conductor porque conllevaría saber su valor en cada punto de un circuito se trabaja con la diferencia de potencial que es más fácil de medir porque es un parámetro global, ya que es la energía (capacidad para producir trabajo o un cambio) por unidad de carga eléctrica del campo eléctrico.

[Richard R Richard]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Y la última duda, por qué una diferencia de potencial produce corriente?

Alli es donde el concepto de tensión mas se entiende, cuando acumulas cargas del mismo signo estas se repelen, mas acumulas mas se repelen se dice hay mas tensión entre ellas, luego cuando conectas mediante un conductor un punto con mayor tension que otro, los electrones ,viajaran por el conductor de manera de equilibrar la tensión en todo el conjunto, el paso de los electrones por el conductor es lo que denominamos corriente. Si no conectas ambos puntos no hay corriente , solo esta presente el campo electrico debido a las cargas distribuidas en la superficie de los objetos que llamamos punto A Y B

[Julián]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Richar R Richard decir que una diferencia de potencial surge por una acumulación de carga no siempre es cierto, ese es el caso de una batería electroquímica o un generador electroestático, como un van dergraff. La mayoría de las veces la diferencia de potencial es generada por la variación de un flujo magnético, me refiero a la energía eléctrica que llega a los domicilios y fábricas. Si consideramos un generador cuya bobina es un conductor ideal y el conductor que conecta este a la impedancia es ideal, la variación del flujo produce una circulación del campo eléctrico en la bobina del generador, como son ideales estas y el conductor no puede existir campo eléctrico en su interior dicho campo se aplica en la periferia de los conductores producido por una redistribucion de carga eléctrica, que elimina el campo eléctrico en su interior, hasta los extremos de la impedancia en cuestión. Y es en dicho punto, en la impedancia donde se aplica un campo eléctrico interno que produce una densidad de corriente; pero ese campo no tiene su causa en cargas desiquilibradas y no se produce una corriente para equilibrarlas sino que se produce una corriente por un campo eléctrico que tiene su causa en una variación de flujo magnético. No se sí me explico. Es decir, la circulación del campo se aplica en la impedancia ya que en los conductores ideales no hay campo interno. Igualmente no hay conductores ideales.

[Richard R Richard]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Julian es claro lo que tu dices, fijate que tambien he dado el ejemplo de un grupo electrogeno, o generador de alterna a motor de explosion, lo que me explicas lo entiendo y tengo sabido, crei que por tratarse de un hilo de divulgacion tanta formula e integral iban a ser de mas dificil aceptación para Malevolex, Segun creo estudia en la secundaria, y no se cuan claro tiene esos conceptos matematicos de Rotor y divergencia. Por ello resumi ,a tu entender demasiado, pues para mi la primera aproximacion al concepto del potencial electrico la tenemos por el traslado de la una carga puntual, desde e infinito a un punto dado. E incluso eso lo aprendi en la universidad.
Luego cuando tienes conocimientos mas profundos , aprendes la biot y savart, fuerza de lorentz y las ecuaciones de maxwell, inductancia,reluctancia y con todo eso vas haciendo una idea de lo que tu me explicas.

Saludos

[Visitante]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Julian es claro lo que tu dices, fijate que tambien he dado el ejemplo de un grupo electrogeno, o generador de alterna a motor de explosion, lo que me explicas lo entiendo y tengo sabido, crei que por tratarse de un hilo de divulgacion tanta formula e integral iban a ser de mas dificil aceptación para Malevolex, Segun creo estudia en la secundaria, y no se cuan claro tiene esos conceptos matematicos de Rotor y divergencia. Por ello resumi ,a tu entender demasiado, pues para mi la primera aproximacion al concepto del potencial electrico la tenemos por el traslado de la una carga puntual, desde e infinito a un punto dado. E incluso eso lo aprendi en la universidad.
Luego cuando tienes conocimientos mas profundos , aprendes la biot y savart, fuerza de lorentz y las ecuaciones de maxwell, inductancia,reluctancia y con todo eso vas haciendo una idea de lo que tu me explicas.

Saludos

Conozco la ley de Biot-Savart, la fuerza de lorentz pero aún no he llegado hasta las ecuaciones de Maxwell, también sé integrar y derivar, sin embargo, no quiero que me lo expliquen con fórmulas, lo que quiero es imaginármelo.
El potencial eléctrico lo veo como un instrumento matemático para simplificar los cálculos. (¿Cómo vas a traer algo desde el infinito?)
Si no somos capaces de calcular el campo eléctrico en el interior de un cable, entonces ¿cómo un voltímetro es capaz de medir la diferencia de voltaje? Y ¿por qué los electrones juntos se dice que tienen una alta tensión o una alta diferencia de potencial si no puedes medir el potencial de cada uno?
Por último, todavía no entiendo por qué al conectar una corriente al haber una diferencia de potencial se genera corriente debido a que se trata de equilibrar, olvidándonos de los tecnicismos, trata de decir que los electrones tratan de llegar hasta las cargas positivas debido a que se atraen y viceversa?

[Julián]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

El potencial eléctrico lo veo como un instrumento matemático para simplificar los cálculos. (¿Cómo vas a traer algo desde el infinito?)

Si bueno es una idealización del fenómeno físico y si es verdad en la práctica no lo usarás salvo en muy pequeños casos de electroestática como en el caso de un rayo en donde la acumulación de carga llega a un punto en que el campo eléctrico que genera "rompe" el aire haciendolo conductor y las cargas que estaban en las nubes se separan lo más posible. Como no se sabe a donde van a parar las cargas pero se sabe que se separan lo más posible se puede considerar el infinito porque este es un concepto del cálculo que significa algo muy grande.Para lo demás solo lo verás en ejercicios de la escuela o la universidad.

Si no somos capaces de calcular el campo eléctrico en el interior de un cable

Si somos capaces, pero en realidad en última instancia es un fenómeno cuántico y es muy engorroso trabajar con un campo que toma valores en todo el conductor. Es más fácil medir el trabajo del campo que el campo en si, es decir en vez de en una resistencia medir el campo se dice que entre los extremos de la resistencia hay cierta diferencia de potencial y con eso se sabe que es lo que el campo eléctrico puede hacer en esa resistencia.

¿cómo un voltímetro es capaz de medir la diferencia de voltaje?

Hay diferentes tipos de voltimetros, los digitales comparan la diferencia de potencial con otra mediante amplificadores operacionales. Los análogicos miden la cantidad de corriente que circulan por estos instrumentos mediante el campo magnético que generan, ya que estos tienen una resistencia conocida y se calibran y hay otros analógicos que miden la diferencia de potencial según el calor que produce en un material que se extande y según la expansión se calibra. En todo caso se mide la diferencia de potencial por el cambio que produce en algo porque eso es exactamente la diferencia de potencial, el cambio que puede hacer el campo eléctrico al aplicarse a lo largo de algo.

Por último, todavía no entiendo por qué al conectar una corriente al haber una diferencia de potencial se genera corriente debido a que se trata de equilibrar, olvidándonos de los tecnicismos, trata de decir que los electrones tratan de llegar hasta las cargas positivas debido a que se atraen y viceversa?

Mejor diría que los electrones están acumulados y tratan de separarse de manera de disminuir su potencial (como en el caso de la nube) y del otro lado pasa lo mismo pero pensalo con cargas positivas.

[Richard R Richard]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

El potencial eléctrico lo veo como un instrumento matemático para simplificar los cálculos. (¿Cómo vas a traer algo desde el infinito?)

El infinito es un concepto, y en ese lugar el campo electrico se hace 0 y al potencial en ese punto tomamos como un valor de referencia pues es comun a todos.

matematicamente en un caso conceptual muy resumido , el potencial sale de resolver una integral y cuando la evaluas en $\dst|_a^\infty$

obtienes $f(\infty) -f(A)$ para el punto A y $f(\infty) -f(B)$ para el punto B

Cuando haces la diferencia de potencial

$[f(\infty) -f(A)]-[f(\infty) -f(B)]=f(B)-f(A)=\Delta V$

Si no somos capaces de calcular el campo eléctrico en el interior de un cable

Como te dice julian si podemos hacerlo,
El exceso de electrones o la falta de ellos se distribuye uniformemente sobre la superficie de los conductores, pues alli estan lo mas lejos las una de las otras pues se "repelen" . Cuando veas las ecuaciones de maxwell , una de ellas te lo deja claro, haz voto de confianza por ahora.

[Visitante]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

Reabro el tema porque en su tiempo no llegue a entender las siguientes cuestiones.
?por que se trabaja con la diferencia de potencial y no con otra magnitud?por ejemplo la diferencia de energia potencial.
Aun no entiendo por que la diferenciz de potencial genera corriente, es decir, no entiendo el hecho de que un electron que tenga un alto potencial tenga que moverse a aquel que tenga menos potencial, por que usan la palabra potencial y no energia potencial? quizas es el termino diferencia de potencial el que me confunde porque no soy capaz de imaginarlo todavia.

[Julián]

Re: Fuerza electromotriz vs potencial

El potencial eléctrico es energía potencial sobre unidad de carga eléctrica (coulomb). Si hay una diferencia de potencial de 1 volt implica que por cada coulomb hay una energía disponible para usarse de 1 joule. Como la cantidad de carga (coulomb) que ante una diferencia de potencial se desplazan por unidad de tiempo depende a su vez de la conductividad del medio en que se aplica la diferencia de potencial y de parámetros geométricos como la longitud del medio en que se aplica dicho potencial y su sección (resistencia)

$\dst R = \frac{L}{ \sigma A}$ donde L es la longitud del medio, A su sección o área transversal y $\sigma$ su conductividad.

Es decir si aplicas 1 volt a un alambre de cobre de 1 metro de longitud y 1 mm cuadrado habrá más energía potencial eléctrica disponible que si aplicas 1 volt en un alambre de carbon de 1 metro de largo y 1 mm cuadrado de longitud ya que en el cobre se desplazan más cargas debido a que tiene mayor conductividad.

$\dst V = I R$ donde V es tensión, I es corriente eléctrica (coulomb que se desplazan sobre unidad de tiempo) y R la resistencia eléctrica.

Aun no entiendo por que la diferenciz de potencial genera corriente, es decir, no entiendo el hecho de que un electron que tenga un alto potencial tenga que moverse a aquel que tenga menos potencial, por que usan la palabra potencial y no energia potencial? quizas es el termino diferencia de potencial el que me confunde porque no soy capaz de imaginarlo todavia.

Miralo así, una única fuerza en un cuerpo u objeto genera que este ascelere, es decir cambie su velocidad. Las cargas eléctricas interacionan mediante la fuerza eléctrica. Los materiales conductores tienen carga eléctrica libre (electrones), es decir, no están atadas a los átomos. Por lo que si se le aplica una fuerza eléctrica tenderán a moverse. La energía potencial es la distancia en que esa fuerza actúa sobre dicho objeto para cambiarle su velocidad, ¿por qué? porque mientras más distancia actúe la fuerza más cambia la velocidad de las cargas. Si una fuerza actúa sobre un electrón 1 metró cambiará más su velocidad que si esa misma fuerza actúa sobre el electrón sobre medio metro y como ya sabes la energía es la capacidad para producir un cambio.
Ahora, en vez de trabajar con fuerza eléctrica en electricidad se suele trabajar con campo eléctrico (es decir, fuerza sobre unidad de carga). Porque como sabras la fuerza eléctrica depende de las magnitudes entre cargas, la fuerza entre 2 cargas de 1 coulomb separadas 1 metro es mayor a la fuerza entre 2 cargas de medio coulomb separadas 1 metro. Así que el campo eléctrico es más "usable" porque si tienes un campo eléctrico de 1 newton sobre coulomb, sabes que si hay una carga de 1 coulomb sentirá una fuerza de 1 newton, si hay una carga de 100 coulomb sentidrá una fuerza de 100 newton, etc. La distancia en que el campo eléctrico actuará sobre las cargas es lo que se denomina diferencia de potencial eléctrico que es energía potencial por cada unidad de carga.

Es decir, si aplicas un potencial de 1 volt a un circuito eléctrico, la energía potencial dependerá de cuantas cargas disponibles y que movilidad tengan para moverse en dicho circuito (conductividad) y eso depende de los materiales del circuito. Volviendo a los ejemplos, si aplicas 1 volt a un alambre de cobre de 1 metro de largo y de 1 mm cuadrado de área se moverán 59.6 coulomb cada segundo, es decir, 36800000000000000000 electrones moviendose cada segundo. Así que por cada segundo está empleando 1 [V] * 59.6 [C] = 59.6 [J] de energía potencial. Si aplicas 1 volt a un pedaso de vidrio de 1 metro y 1 mm cuadrado de área se moverán 0.0000000000000001 coulomb cada segundo, es decir, aproximadamente 624 electrones cada segundo y la energía potencial que se emplea en ese caso es 0.0000000000000001 [J].

En resumen, si hay una diferencia de potencial hay un campo eléctrico. Porque como te he dicho la diferencia de potencial es el campo eléctrico por la distancia en que actúa y por lo tanto lo que es lo mismo la variación del potencial en el espacio es el campo eléctrico.