Cuando levantas un objeto desde el suelo hasta cierta altura, requieres efectuar un trabajo sobre él para vencer la fuerza de gravedad ejercida por la...
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Energía potencial eléctrica
Electricidad y Magnetismo
Energía potencial eléctrica
Energía potencial eléctrica

Energía potencial eléctrica

Cuando levantas un objeto desde el suelo hasta cierta altura, requieres efectuar un trabajo sobre él para vencer la fuerza de gravedad ejercida por la Tierra. En dicha acción el cuerpo aumenta su energía potencial. A su vez, acumulamos energía potencial elástica sobre un resorte al efectuar un trabajo mecánico y comprimirlo. En estos casos asociamos la energía potencial con la capacidad de producir movimiento.

Energía potencial eléctrica

Energía potencial eléctrica

De forma análoga a lo que ocurre con un resorte (figura 1), si se quiere mover una carga de prueba positiva q en sentido contrario al de un campo eléctrico generado por una carga Q, es necesaria una fuerza externa, y, por tanto, realizar un trabajo contra las fuerzas eléctricas. Así la carga de prueba adquiere una cierta energía potencial eléctrica (U).

Considerando que muy lejos de Q, U= O, tenemos que la energía potencial eléctrica que adquiere una carga puntual q a una distancia r de una carga generadora Q es:

    \[ U=K\frac{Q\cdot q}{r} \]

Como toda forma de energía, la unidad de energía potencial eléctrica en el SI es el joule (J) y será positiva cuando la fuerza sea repulsiva.

Potencial eléctrico

El potencial, cerca de una carga positiva, aumenta a medida que la distancia disminuye, todo lo contrario a lo que ocurre con el potencial cerca de una carga negativa.

Potencial eléctrico

Si una carga eléctrica q situada en un punto de un campo eléctrico se duplica, triplica o aumenta n veces, la energía potencial eléctrica aumentará en la misma cantidad, respectivamente. Sin embargo, es más frecuente considerar, en dicho punto, el potencial eléctrico (V) que corresponde a la energía potencial eléctrica por unidad de carga, ya que este valor será el mismo, independiente de la cantidad de cargas o incluso si no hay cargas de prueba (es una propiedad del espacio). Por lo tanto:

    \[ V=\frac{U}{q}=K\frac{Q}{r} \]

El potencial eléctrico es una magnitud escalar cuya unidad de medida es el volt, (V), en honor del físico italiano Alessandro Volta (creador de la pila eléctrica), que corresponde a \frac{j}{c}. Por ejemplo, un potencial de 220 V significa que en ese punto una carga de 1 C adquiere una energía de 220 J.

Diferencia de potencial eléctrico

Como sabes, la energía potencial gravitatoria de un cuerpo cambia si se ubica a diferentes alturas respecto del suelo. De este modo, entre dos alturas existe una diferencia de energía potencial gravitatoria. Esto también ocurre en un campo eléctrico. El potencial eléctrico (la energía potencial eléctrica por unidad de carga) varía de acuerdo con la distancia respecto de la carga generadora. Por lo tanto, existe una diferencia de potencial eléctrico (\triangle V) entre dos puntos ubicados a diferentes distancias de la carga generadora de un campo eléctrico.

La diferencia de potencial eléctrico se define como el trabajo (W) realizado por un agente externo por unidad de carga para trasladar dicha carga de un punto a otro. Como las fuerzas eléctricas son conservativas, este valor es independiente de la trayectoria seguida por la carga. Luego, la diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico está dada por:

    \[ \triangle V=\frac{W}{q} \]

diferencia-potencial-electrico

En términos de la variación de la energía potencial eléctrica podemos escribir la relación:

    \[ \triangle U=q\cdot \triangle V \]

Así, una carga q que se mueve entre dos puntos del espacio que están a diferente potencial, cambia su energía potencial en q\cdot \triangle V.

Los puntos que están a un mismo potencial definen lo que se llaman superficies equipotenciales, las que pueden tener distintas formas. Para una carga puntual, las superficies equipotenciales son esferas concéntricas en cuyo centro está la carga. Una partícula eléctrica que se mueve en una misma superficie equipotencial no experimenta cambios de energía potencial. Las líneas de campo son perpendiculares a ellas.

La superficie de un cuerpo eléctricamente cargado es una superficie equipotencial (dado que al interior del cuerpo el campo es nulo, todo el cuerpo tiene el mismo potencial). Sabemos que si se conectan dos cuerpos, y uno de ellos está eléctricamente cargado, habrá transferencia de cargas. Dicha transferencia ocurre hasta que ambos cuerpos alcanzan el mismo potencial o, en otras palabras, el sistema se transforma en una superficie equipotencial.

Si los cuerpos son esferas, es posible establecer relaciones matemáticas sencillas para determinar la transferencia de carga y el potencial adquirido.