Forza elettromotrice - fem

La forza elettromotrice di un generatore di tensione, indicata con le sigle fem o f.e.m., è la differenza di potenziale tra i suoi poli quando non è collegato a un circuito, ed è equivalentemente la massima differenza di potenziale il generatore è in grado di preservare in un circuito elettrico. La fem si misura in volt e consente di calcolare il lavoro svolto dal generatore di tensione.

Sappiamo che un generatore di tensione serve a mantenere costante un determinato valore di differenza di potenziale, o tensione, tra gli estremi del circuito a cui è collegato. Questa è una condizione imprescindibile affinché nel circuito ci sia un flusso di corrente continua.

Come possiamo caratterizzare la tensione che un generatore è in grado di preservare? E qual è la relazione tra tale differenza di potenziale e il lavoro compiuto dal generatore per muovere una certa carica elettrica tra i suoi poli? Entrambe le domande trovano risposta nel concetto di forza elettromotrice, di cui ci accingiamo a raccontare vita, morte e miracoli. :)

Cos'è la forza elettromotrice di un generatore di tensione

Se vogliamo far scorrere una corrente continua in un circuito chiuso ci deve necessariamente essere un generatore di tensione. Il compito del generatore infatti è mantenere costante nel tempo una certa differenza di potenziale tra i capi del circuito, senza la quale le cariche non si muoverebbero.

Consideriamo una batteria (una pila): tra i poli positivo + e negativo - esiste una differenza di potenziale (o tensione) misurabile. Quando la batteria non è collegata a un circuito, e dunque non genera corrente elettrica, la tensione che essa è in grado di generare prende il nome di forza elettromotrice.

La forza elettromotrice di un generatore di tensione si indica solitamente con la sigla fem, ma su alcuni testi potreste trovare anche sigle o simboli diversi per indicarla (FEM o ancora f.e.m.).

Riguardo all'unità di misura della forza elettromotrice, si capisce facilmente che la fem si misura in volt (V) in quanto essa non è altro che una differenza di potenziale.

A questo punto sorge spontanea una domanda: se la fem è una differenza di potenziale, perché attribuirle un nome specifico? La scelta è dettata da ragioni storiche e da un certo punto di vista è anche utile, in quanto consente di contestualizzare la differenza di potenziale al caso specifico dei generatori di tensione.

Attenzione però a un fatto importante che va chiarito subito: a dispetto del nome la forza elettromotrice non è una forza.

In Fisica la forza è quella grandezza definita dalla seconda legge della Dinamica, la cui unità di misura è il newton (N). Qui abbiamo a che fare con una cosa ben diversa, e cioè con una differenza di potenziale che si misura in volt. Il nome dunque è assolutamente fuorviante. Non bisogna cadere nel tranello di descrivere la fem come la forza che permette alla cariche di muoversi in un circuito: frasi di questo tipo sono del tutto sbagliate e vanno assolutamente bandite! ;)

Forza elettromotrice e generatori di tensione ideali / reali

La definizione di forza elettromotrice nasconde una piccola insidia: perché abbiamo scritto che la fem di un generatore di tensione è la differenza di potenziale tra i suoi poli quando esso non è collegato a un circuito?

Nella realtà delle cose, quando colleghiamo un generatore a un circuito la d.d.p. che esso mantiene ai capi del circuito non coincide necessariamente con la sua fem "nominale", in quanto all'interno del generatore avvengono dei processi che abbattono progressivamente il suo valore di fem. La forza elettromotrice è quindi in generale il massimo valore di differenza di potenziale che un generatore collegato a un circuito è in grado di erogare.

A questo proposito distinguiamo tra:

- generatori di tensione ideali, ossia generatori in grado di preservare sempre lo stesso valore di fem, e dunque tali per cui la forza elettromotrice equivale sempre alla differenza di potenziale mantenuta ai capi del circuito

- generatori di tensione reali, per i quali la fem "nominale" è quella che si ha quando non sono collegati a un circuito; quando vengono collegati a un circuito erogano una d.d.p. che non coincide con la fem nominale.

A meno che non sia diversamente specificato nelle restanti lezioni di Elettrodinamica lavoreremo esclusivamente con generatori di tensione ideali. D'altronde nella maggior parte delle batterie l'abbassamento fisiologico del valore di tensione è trascurabile al punto che, ad eccezione di particolari contesti, i generatori di tensione vengono normalmente trattati come ideali e considerando la fem come il vero valore di tensione che sono in grado di generare. Cionondimeno avremo cura di affrontare il tema dei generatori di tensione reali in una lezione dedicata.

Forza elettromotrice e lavoro di un generatore di tensione ideale

La fem di un generatore di tensione è strettamente legata al lavoro che esso deve svolgere per mantenere costante la differenza di potenziale ai suoi capi.

In accordo con la convenzione sul verso della corrente elettrica, dobbiamo considerare il moto delle cariche positive. Ebbene le cariche positive che circolano in un circuito collegato a un generatore di tensione lasciano spontaneamente il polo + per dirigersi verso il polo -, nel tentativo di colmare la differenza di potenziale ai capi del circuito. Per evitare che la differenza di potenziale venga colmata, e dunque che la corrente smetta di circolare, il generatore ha il compito di forzare le cariche positive a passare dal polo negativo al polo positivo. Così facendo la differenza di potenziale ai capi del circuito resta costante e le cariche possono effettuare un nuovo giro: la corrente rimane continua.

Il trasferimento di cariche positive dal polo - al polo + non avviene spontaneamente, sicché il generatore è costretto a spendere energia e a compiere un lavoro elettrico.

Il lavoro compiuto da un generatore ideale per spostare una quantità di carica dal polo negativo al polo positivo è legato alla forza elettromotrice dalla seguente formula:

Il lavoro della batteria dunque è dato dal prodotto della carica trasferita da un polo all'altro per la forza elettromotrice. Se ad esempio un generatore ideale deve muovere 30 C di carica ed è in grado di generare una fem di 1,5 V (valore tipico delle pile), il lavoro compito sarà pari a 45 J, infatti:

È giunto il momento di analizzare i circuiti elettrici in dettaglio. Ora che abbiamo studiato diverse nozioni e che ne conosciamo alcune componenti, riteniamo sia opportuno tracciare una panoramica generale e fornire qualche anticipazione degli argomenti che verranno. :)

Vi aspettiamo nella lezione successiva! Se nel frattempo volete consultare degli esercizi svolti, o se avete qualche dubbio, vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna. Qui su YM ci sono migliaia di esercizi risolti e altrettante lezioni. ;)

Buona Fisica a tutti!

Alessandro Catania (Alex)

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Ultima modifica: 08/05/2023