
La forza elettromotrice, comunemente abbreviata in f.e.m., è il rapporto tra il lavoro compiuto da un generatore elettrico per muovere le cariche (convenzionalmente positive) dal polo a basso potenziale al polo a potenziale più alto e l’unità di carica spostata. Sebbene la forza elettromotrice non sia conservativa, essa è numericamente uguale alla differenza di potenziale massima ai capi di un generatore elettrico sconnesso dal circuito elettrico.
La f.e.m. si differenzia da una differenza di potenziale, in quanto è sempre maggiore della differenza di potenziale utile presente quando il generatore viene connesso al circuito elettrico, dal momento che la resistenza interna del generatore riduce questa tensione.
L'utilizzo della parola "forza" ha un significato differente da quello oggi generalmente accettato, cioè di forza in senso meccanico; essa, tuttavia, trova ancora applicazione, ad esempio, per esprimere la massima differenza di potenziale che un generatore di tensione produce fra i suoi poli o la differenza di potenziale fra gli elettrodi di una cella elettrochimica. In particolare, nel caso di una cella galvanica, la forza elettromotrice corrisponde alla differenza di potenziale che si instaura in corrispondenza dei morsetti della cella a circuito aperto (cioè in assenza di circolazione di corrente, ovvero all'equilibrio).
Nel 1800, dopo un disaccordo professionale sulla risposta galvanica sostenuta da Luigi Galvani, Alessandro Volta sviluppò la nota pila voltaica, precursore della batteria, che produce una tensione costante ai suoi capi. Nei suoi studi Volta accanto ai concetti di "capacità" e di "quantità" usò per la prima volta il concetto di "tensione elettrica" per rendere conto delle proprietà intensive dell'elettricità.
All'interno di un generatore elettrico si verificano processi che trasportano le cariche positive verso il polo positivo e le cariche negative verso quello negativo. Questi processi si oppongono alla repulsione fra cariche elettriche dello stesso segno.
Essi possono essere di natura elettrochimica, elettromagnetica, termoelettrica, fotoelettrica, piezoelettrica e così via.
Il lavoro "L" necessario al trasporto delle cariche verso i rispettivi poli è direttamente proporzionale alla quantità di carica "q"; la forza elettromotrice "E" è definita come quantità di lavoro compiuto per unità di carica, secondo la formula:
L'unità di misura SI della forza elettromotrice è il volt, la stessa che si impiega per misurare il potenziale e la tensione; l'unità di misura CGS è lo statvolt. Nelle formule, la forza elettromotrice viene indicata talora con le lettere "f", "e", "E" o "V".
In un circuito chiuso, la differenza di potenziale Δ"V" misurata ai poli di un generatore reale risulta sempre leggermente inferiore alla forza elettromotrice del generatore per effetto della resistenza interna "r" dello stesso:
La forza elettromotrice indotta in un circuito chiuso è uguale all'opposto della variazione del flusso magnetico Φ che lo attraversa in una unità di tempo, come stabilisce la Legge di Faraday-Neumann-Lenz nella notazione di Newton:
E per la definizione di induttanza elettrica formula_4,
Il segno - è dovuto al fatto che la forza elettromotrice indotta si oppone alla variazione del flusso magnetico che l’ha generata in virtù della legge di Lenz.
Nel caso in cui la variazione del flusso sia dovuta a una modifica meccanica del sistema, come ad esempio la riduzione dell'area di una spira, si parla di forza elettromotrice cinetica.


In fisica, la forza di Coulomb, descritta dalla legge di Coulomb, è la forza esercitata da un campo elettrico su una carica elettrica. Si tratta della forza che agisce tra oggetti elettricamente carichi, ed è operativamente definita dal valore dell'interazione tra due cariche elettriche puntiformi e ferme nel vuoto.
Dalla legge di Coulomb si rende visibile come all'interazione elettromagnetica sia associata una forza particolarmente intensa se confrontata con l'interazione gravitazionale: la forza elettrica tra un elettrone e un protone in un atomo d'idrogeno è 10 volte superiore rispetto alla forza gravitazionale tra le due.
Per facilitare la generazione di cariche elettrostatiche si utilizza solitamente un generatore elettrostatico; tra i più famosi si hanno l'elettroforo perpetuo ed il generatore di Van de Graaff. Lo sfruttamento pratico della forza esercitata tra le cariche elettriche avviene ad esempio con il propulsore ionico e il propulsore ionico elettrostatico, mentre il manifestarsi naturale o indotto di tale forza elettrica è visibile con l'effetto corona o il potere disperdente delle punte (tra cui i fuochi di Sant'Elmo).
Le prime indagini su tale forza si hanno in Grecia nel 600 a.C. con Talete di Mileto e Teofrasto, e riguardano esperimenti di elettrostatica con l'ambra e la seta (o in alternativa la lana). Successivamente, studi più approfonditi presero luogo dal XVI al XIX secolo: in particolare, fino alla metà del XVIII secolo erano noti solo gli aspetti qualitativi della forza elettrica: si iniziò allora a studiarne anche le proprietà quantitative, così che si fece strada l'idea di una somiglianza con la forza di gravità. Aspetti come:
Tra il 1777 e il 1785 fu Charles Augustin de Coulomb a provare sperimentalmente che effettivamente la forza elettrica era proporzionale all'inverso del quadrato della distanza; ma non fu il primo, dato che gli stessi esperimenti di Coulomb furono precedentemente condotti dall'inglese Henry Cavendish, il quale per la sua bizzarra personalità non pubblicò la maggior parte dei suoi lavori. Questo è stato il primo tentativo di capire il funzionamento della "forza elettrica".
Si considerino due cariche puntiformi interagenti, il cui valore (positivo o negativo) è indicato con formula_1 e formula_2, nelle posizioni formula_3 e formula_4. La forza di Coulomb è la forza esercitata da formula_2 su formula_1 (o, in modo opposto, da formula_1 su formula_2), e ha l'espressione:
dove formula_10 è la costante di Coulomb, che è pari a:
con formula_12 la costante dielettrica del vuoto, il cui valore è:
Se formula_14 è la distanza tra le cariche, il modulo formula_15 della forza è:
La forza tra due cariche è proporzionale al prodotto dei loro valori formula_1 e formula_2, inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, ed è diretta come la congiungente formula_19 delle due cariche. Si tratta di una forza repulsiva nel caso le cariche abbiano segno uguale, attrattiva altrimenti. La forma vettoriale si ottiene sapendo che la direzione della forza è uguale alla direzione della differenza dei vettori posizione delle due cariche.
La formula può essere estesa considerando cariche in presenza di altri materiali (non nello spazio vuoto) e non puntiformi. In generale, nella formula di Coulomb deve essere inserita la permittività elettrica del mezzo che separa le due cariche.
In presenza di un dielettrico la forza di Coulomb è diminuita in rapporto alla costante dielettrica relativa formula_20, dove formula_21 è la costante specifica del mezzo e formula_12 la permittività elettrica nel vuoto:
Si noti che formula_24, e quindi il dielettrico riduce la forza di interazione fra due cariche elettriche. La riduzione del campo elettrico è indipendente dalla massa dei dielettrici coinvolti, mentre varia con la loro disposizione spaziale. In secondo luogo, la formula di Coulomb può essere estesa a cariche non puntiformi. Le cariche non puntiformi possono essere considerate ricorrendo agli integrali.
Sperimentalmente si è verificato che la deviazione dell'esponente dal valore teorico 2 è minore di circa 10.
Dato un numero "n" di cariche puntiformi formula_25 distribuite nello spazio, per il principio di sovrapposizione il campo elettrostatico nella posizione formula_26 è dato dalla somma dei singoli contributi:
dove formula_25 e formula_29 sono il valore e le posizioni della "i"-esima carica.
In generale, per una distribuzione continua di carica si ha:
dove formula_31 rappresenta la densità di carica nello spazio:
e formula_33 rappresenta la regione di spazio occupata dalla distribuzione di carica.
Nel vuoto, il campo elettrico formula_34 in un punto dello spazio è definito come la forza per unità di carica elettrica positiva alla quale è soggetta una carica puntiforme, detta carica "di prova", se posta nel punto. Il vettore è quindi dato dal rapporto tra la forza elettrica agente sulla carica di prova ed il valore della carica stessa, purché la carica di prova sia sufficientemente piccola da provocare una perturbazione trascurabile sull'eventuale distribuzione di carica che genera il campo:
Il campo è indipendente dal valore della carica di prova usata, essendone indipendente il rapporto tra la forza e la carica stessa, e questo mostra che il campo elettrico è una proprietà caratteristica dello spazio. Dalla definizione si ricava che l'unità di misura del campo elettrico è formula_36, che equivale a formula_37.
Dalla legge di Coulomb segue che una carica formula_38 posta in formula_39 genera un campo elettrostatico che in un punto qualsiasi formula_26 è definito dalla seguente espressione:
dove formula_42 è la costante dielettrica nel vuoto.
