Al frotar una varilla aislante con un paño, se separan car- gas estableciendo una diferencia de potencial entre la varilla y el paño. Esta separación de cargas se produce por el traba- jo mecánico realizado durante el frotamiento. Existen otras formas de hacerlo, siendo una de ellas la conversión de energía química en eléctrica que se realiza en pilas y acumu- ladores. En fig.2.19a se esquematiza el interior de una pila, indicándose con subíndice Q a las fuerzas de origen químico que separan cargas de diferente signo y las depositan en las placas correspondientes. Considerando que en el objeto B se acumulan cargas negativas y en A positivas, la f.e.m. que en este caso es el trabajo realizado por FQ para llevar la unidad de carga eléctrica desde B hasta A, será:
El símbolo utilizado para representar una f.e.m. que se mantiene constante en el transcurso del tiempo consta de un trazo más largo indican- do el extremo que se carga positivamente mientras que el más corto corresponde a aquel en que se acumula igual canti- dad de carga con signo negati- vo. (b) Fig.2.19
F
Q
EF
+ + + + + + + +
- - - -
B
A
(a) Independientemente del origen de la energía utilizada para separar las cargas, el trabajo por unidad de carga eléctrica realizado para sepa- rarlas se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.). El resul- tado de este trabajo es acumu- lación de igual cantidad de cargas eléctricas de diferentes signos en regiones separadas con la correspondiente diferen- cia de potencial entre las mis- mas.46 A Q B A B
F
W
d
q
q
ecs.2.3La unidad de medida de f.e.m. en el S.I. es el voltio. La acumulación de cargas en las placas origina un cam- po eléctrico entre las mismas que se opone al traslado de cargas positivas hacia A y negativas hacia B. El equilibrio se alcanza cuando se igualan ambas fuerzas.
0
E QF
F
A A B A E A B B BW
F
d
Ed
V
V
q
q
Esta expresión indica que la f.e.m. de una pila es igual a la diferencia de potencial entre sus terminales.
Otras maneras de generar f.e.ms. se consiguen a partir de fuentes de calor, luz, sonido, etc. utilizadas para impul- sar cargas en un circuito.
El modelo para un conductor, fig.2.16, permite explicar de manera simple los fundamentos en que se basan varia aplicaciones técnicas.
Potenciales de contacto
En el año 1799, A. Volta comprobó que en la unión de dos metales diferentes mantenidos a la misma temperatura, se establece una diferencia de potencial constante, cuyo valor depende de los materiales y es independientemente del tamaño de la superficie en contacto. Colocando diferen- tes metales en contacto pudo comprobar que la diferencia de potencial entre los extremos dependía de los materiales de las extremidades pero no de los intermedios.
Utilizando la analogía del recipiente para conceptualizar la f.e.m. por contacto, en fig.2.20 puede observarse que al unir dos metales diferentes, electrones del que tiene menor función trabajo pasan a aquel en que la función trabajo es mayor hasta que se igualen las energías. El que cede elec- trones se carga positivamente y negativamente el que los recibe. De esta manera aparece una diferencia de potencial donde el material de menor función trabajo está a por enci- ma del que tiene mayor función trabajo.
En lenguaje técnico, “ten- sión eléctrica” indica tanto una f.e.m. como una caída de po- tencial.
Considerando que el tér- mino “tensión” se refiere al estado de un cuerpo bajo la influencia de fuerzas opuestas, su utilización en circuitos eléc- tricos se debe a que la diferen- cia de potencial por unidad de longitud (ecs.2.2) representa para cada tramo del circuito la fuerza impulsora por unidad de carga eléctrica, análogamente a como ocurre en los circuitos hidráulicos donde la diferencia de presión entre dos secciones transversales del mismo se relaciona con la fuerza que impulsa al fluido. (b) (a) 1
W
...W
2...
...
...
...
...
...
...
.........
(d) Fig.2.20x
V
(c)...
............
47
Potenciales termoeléctricos
En 1821 Seebeck comprobó experimentalmente que la diferencia de potencial entre dos metales unidos se modifica manteniendo los metales a diferente temperatura.
De fig.2.20 se puede comprobar que cuando los metales de la unión tienen diferente temperatura más electrones pasan hacia uno u otro lado modificándose la diferencia de potencial en la unión.
El efecto inverso, descubierto por Peltier, se obtiene al hacer circular una corriente eléctrica a través de la unión entre dos metales diferentes. Dependiendo del sentido de circulación de la corriente la unión se calentará o enfriará.
Thomson comprobó que cuando los extremos del mismo metal están a diferente temperatura, electrones libres del extremo caliente pasan hacia el extremo frío originando una pequeña diferencia de potencial que se estabiliza cuando la fuerza eléctrica originada por la acumulación de cargas de diferente signo en cada extremo se equilibra con la origina- da por la diferencia de temperatura.
Emisión termoiónica
El modelo de fig.2.16 también permite explicar la emisión termoiónica, fundamental para el funcionamiento de las vál- vulas de vacío utilizadas en los primeros amplificadores y equipos electrónicos hasta la actualidad.
Calentando suficientemente un trozo de metal (cátodo), electrones comienzan a "evaporarse" de su superficie for- mándose una nube electrónica a su alrededor.
Estableciendo una diferencia de potencial entre el cátodo caliente y una placa metálica, se detecta llegada de electro- nes a la placa cuando ésta se encuentra a mayor potencial que el cátodo (fig.2.22).
Para que se emita más cantidad de electrones a la mis- ma temperatura se recubre al cátodo con materiales de me- nor función trabajo.
Aunque en la unión cobre- zinc aparece una diferencia de potencial, al unir los extremos con un alambre de cobre no se detecta desplazamiento de cargas en un mismo sentido o corriente eléctrica.
Diferentes aplicaciones ac- tuales, entre las que se men- cionan la refrigeración del pro- cesador en una CPU, termopa- res para accionamiento de electroválvulas en sistemas de detección de llama y medida de temperatura, termopilas, etc., se basan en los potenciales termoeléctricos.
V
Zn CuV
V
Zn Cu (b) Fig.2.21 2.44 (a) 2.44 Fig.2.2248