resistencia interna y fuerza electromotriz mapa conceptual
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Comprender el tema
La fuerza electromotriz (f.e.m.) es la energía que una fuente, como una pila o un generador, aporta por unidad de carga, mientras que la resistencia interna es la oposición que el propio generador presenta al paso de la corriente. Este mapa relaciona ambos conceptos con la ley de Ohm, la ecuación del circuito real y la diferencia entre tensión ideal y tensión terminal, mostrando cómo varía el rendimiento de una pila según la corriente que circula.
Diferencia entre f.e.m. y tensión terminal
La fuerza electromotriz representa la energía total que el generador entrega a cada unidad de carga, mientras que la tensión terminal es la que realmente se mide entre sus bornes cuando circula corriente. La diferencia entre ambas es la caída I·r producida dentro del propio generador. Por eso, con el circuito abierto, un voltímetro conectado a la pila indica prácticamente la f.e.m., pero al conectar una resistencia y circular corriente, la lectura desciende. Esta distinción es clave para resolver problemas de circuitos reales y para entender por qué una pila no mantiene siempre el mismo voltaje.
El modelo del generador real
Un generador real se modela como una f.e.m. ideal en serie con una resistencia interna r. Al aplicar la conservación de la energía al circuito completo se obtiene E = I·(R + r), donde R es la resistencia externa. De aquí se deduce que la corriente no depende solo de la carga, sino también de la resistencia interna. Si r es pequeña, la pila se comporta casi como un generador ideal y la tensión terminal apenas varía con la corriente; si r es grande, la caída interna es notable y el voltaje útil cae rápidamente al aumentar la demanda.
Potencia disipada y calentamiento
Parte de la energía que la pila transforma se disipa en su interior por efecto Joule, con una potencia I²·r. Esto explica fenómenos cotidianos: un móvil se calienta mientras se carga, una batería agotada se calienta más porque su resistencia interna ha aumentado, y un cortocircuito, en el que la resistencia externa es casi nula, produce corrientes muy elevadas y un calentamiento peligroso. El rendimiento del generador, R/(R + r), indica la fracción de potencia entregada al circuito exterior; solo se aproxima al cien por cien cuando R es mucho mayor que r.
Cómo se determinan E y r en el laboratorio
Para obtener experimentalmente la f.e.m. y la resistencia interna se mide la tensión terminal V para distintas corrientes I, variando la resistencia externa. Al representar V frente a I se obtiene una recta decreciente cuya ordenada en el origen es E y cuya pendiente es −r. También puede medirse E directamente con un voltímetro de alta impedancia en circuito abierto, ya que la corriente es entonces casi nula y la caída interna resulta despreciable. Este procedimiento es habitual en prácticas escolares de física y permite comparar pilas nuevas y gastadas.
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Preguntas de repaso
¿Por qué la tensión terminal de una pila es menor que su f.e.m. cuando funciona?
Porque al circular corriente, parte de la energía se disipa en la resistencia interna de la propia pila. La caída interna vale I·r, de modo que la tensión terminal es V = E − I·r. Cuanto mayor es la corriente o la resistencia interna, mayor es la diferencia entre la f.e.m. y el voltaje útil disponible en los bornes.
¿Cómo se puede medir la resistencia interna de una pila?
Se mide la tensión terminal para varios valores de corriente, cambiando la resistencia externa del circuito. Al representar V frente a I se obtiene una recta cuya ordenada en el origen es la f.e.m. E y cuya pendiente es −r. El valor absoluto de esa pendiente es la resistencia interna de la pila.
¿Qué ocurre en un cortocircuito de una pila?
Si la resistencia externa es prácticamente nula, la corriente queda limitada solo por la resistencia interna: I = E/r. Como r suele ser pequeña, la corriente resulta muy elevada, la potencia disipada dentro de la pila (I²·r) es enorme y el calentamiento puede dañar la pila o provocar un incendio.