Energía potencial eléctrica y Potencial eléctrico
Introducción
En esta lección se expondrá el concepto de energía potencial eléctrica. Esta noción es comparada con el de la energía potencial gravitacional, cuya analogía permite una mejor comprensión dado que nosotros desarrollamos nuestra cotidianidad en el campo gravitatorio de la Tierra, lo cual permite aprehender este conocimiento cómodamente desde un punto de vista cognitivo.
Aprenderemos a calcular la energía potencial eléctrica en función de la constante de proporcionalidad k, que hemos venido utilizando desde la fuerza de Coulomb, de la magnitud de la carga Q en cuya vecindad estamos investigando y de la distancia r del punto de cálculo a la carga. Veremos que, a diferencia de la fuerza eléctrica de Coulomb y del cálculo de la magnitud del campo eléctrico, que representan cantidades vectoriales, ahora sí tomaremos en cuenta el signo de las cargas en cuestión y que en los temas de esta sesión de estudio están involucradas cantidades escalares: la energía potencial eléctrica, el potencial eléctrico y la diferencia de potencial.
Una vez establecida la manera de calcular la energía potencial eléctrica, estableceremos el concepto de potencial eléctrico como una propiedad del espacio que rodea a una carga eléctrica. Será deducida la forma para calcular el potencial eléctrico tanto para una carga como en los casos en los que se involucran varias cargas, utilizando para esta situación la suma algebraica de los potenciales eléctricos individuales, toda vez que ya se aclaró que en este caso se toma el signo de las cargas.
Y para cerrar esta clase digital será abordado la idea de diferencia de potencial eléctrico que nos permite calcular el trabajo que deben desarrollar las fuerzas eléctricas para movilizar las cargas eléctricas, sean positivas o negativas.
¡Dispongamonos a su estudio con emoción! ¡Sí se puede!
Desarrollo del tema
Energía potencial eléctrica
Para asimilar de mejor manera este concepto es conveniente hacer la comparación con la energía potencial gravitacional. En este caso, de acuerdo a Tippens, P. E. (2011:497), con referencia a la siguiente figura, un objeto de masa m es desplazado una distancia h desde A hasta B mediante una fuerza F de magnitud mg y realiza un trabajo Fxd=mgh. El trabajo realizado se almacena como energía potencial en el punto B con respecto al punto A y si el objeto es liberado, cuando llegue al nivel A el campo gravitacional habrá realizado una cantidad de trabajo igual a la cantidad de energía potencial almacenada en B y se habrá transformado en energía cinética.
Ahora abordaremos la noción de energía potencial eléctrica haciendo referencia a la fig. 4.2, en la que una carga de prueba positiva se mueve en un campo eléctrico de magnitud constante entre 2 placas de carga opuestas.
La carga +q se mueve desde A hasta B en contra del campo eléctrico E aplicando una fuerza F de magnitud qE; el trabajo realizado es Fxd=qEd y queda almacenado en B como energía potencial eléctrica. Si la carga +q es liberada en B el campo eléctrico desarrollará un trabajo igual a la energía almacenada que se habrá convertido en energía cinética en el punto A. Si se desplazará una carga eléctrica -q desde A hasta B, ésta tendría una menor energía potencial eléctrica en B que en A, ya que el trabajo sería desarrollado por el campo eléctrico. Se cumpliría entonce la siguiente regla:
Siempre que una carga positiva se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial aumenta, y siempre que una carga negativa se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial disminuye. (Tippens, P. E., 2011:499).
Esta regla se sustenta en el hecho de que la dirección del campo eléctrico se definió en términos de una carga eléctrica positiva.
Consideremos ahora el caso general de un campo eléctrico que no es constante, como el de la fig. 4.3.
En esta situación, el trabajo realizado para llevar una carga +q desde el infinito hasta una distancia r de la carga Q está dada por la fórmula:
Y puesto que la energía potencial es igual al trabajo realizado en contra del campo eléctrico, entonces esta ecuación representa la energía eléctrica potencial en r con respecto al infinito. En general, para Tippens, P. E. (2011:500), la energía potencial de un sistema compuesto por una carga q y otra carga Q separadas por una distancia r es:
La energía potencial del sistema es igual al trabajo realizado contra las fuerzas eléctricas para llevar la carga +q desde el infinito hasta ese punto.
Potencial eléctrico
El potencial eléctrico es una propiedad del espacio que rodea a una carga y permite calcular la energía potencial debido a otra carga situada en cualquier punto. El potencial eléctrico V, según Tippens, P. E. (2011:501), en un punto situado a una distancia r de una carga Q es igual al trabajo por unidad de carga realizado contra las fuerzas eléctricas para transportar una carga positiva +q desde el infinito hasta dicho punto.
Apóyate en el estudio atento del siguiente video para comprender el concepto y relación entre la energía potencial eléctrica y el potencial eléctrico.
Energía potencial eléctrica y potencial eléctrico.
En este video se aplica la expresión de la energía potencial eléctrica para resolver un problema. Ponte comodo y prepárate para aprender:
Energía potencial eléctrica, ejercicio resuelto.
Así, un potencial eléctrico de 1 J/C significa que si se coloca una carga de un coulomb en el punto A, ésta poseerá una energía potencial de 1 J.
Por definición, el potencial eléctrico en el punto.
Potencial eléctrico.
El potencial eléctrico, definido en términos de una carga positiva, será entonces positivo; de la misma manera, el potencial eléctrico será negativo en un punto localizado en el espacio que circunda a una carga negativa. Debes tener presente la siguiente regla:
El potencial eléctrico debido a una carga positiva es positivo, y el potencial debido a una carga negativa es negativo. (Tippens, P. E., 2011:502).
El uso de un signo negativo para Q en la fórmula resultará entonces en un potencial eléctrico negativo.
Siendo el potencial eléctrico una cantidad escalar, cuando se requiere calcular el valor del potencial eléctrico en el espacio que circunda a varias cargas eléctricas, se deben sumar algebraicamente los potenciales eléctricos que corresponden a cada carga; debe tenerse en cuenta que el potencial eléctrico debido a una carga positiva es positivo y el potencial eléctrico debido a una carga eléctrica negativa es negativo. La expresión a utilizar es la siguiente:
Aplicaremos ahora la fórmula del potencial eléctrico para resolver algunos problemas relacionados.
Potencial eléctrico, problemas resueltos.
Conclusión
Hemos acometido en esta clase digital temas que resultan interesantes y fundamentales para entender y comprender la capacidad y habilidad para mover las cargas eléctricas por medio de los campos eléctricos y las fuerzas que mediante ellos se hacen presentes.
Ahora tenemos claro que cuando se moviliza una carga positiva desde el infinito hasta las inmediaciones de otra carga positiva, una fuerza externa debe realizar ese trabajo en contra de las fuerzas eléctricas y que ese trabajo quedará almacenado como energía potencial eléctrica también positiva; si la carga así transportada es liberada en esta posición, las fuerzas eléctricas podrán acarrear la carga, alejándose, si fuera necesario, hasta el infinito. En cambio, si una carga negativa se mueve desde el infinito hasta las cercanías de una carga positiva, las mismas fuerzas eléctricas desarrollan el trabajo, en este caso, negativo y la energía potencial eléctrica que posee la carga transportada es negativa, lo que significa que para mover la carga hasta el infinito será necesario que ese trabajo lo realicen fuerzas externas ya que el campo eléctrico no podrá acarrear la carga negativa en este caso.
También aprendimos que el potencial eléctrico es una propiedad del espacio que rodea a una carga y que tal concepto se define como la energía potencial por unidad de carga, lo que permite visualizar al potencial eléctrico como la habilidad implícita para movilizar cargas eléctricas, dado que el potencial eléctrico puede ser positivo o negativo. Y sabemos ahora que no solamente podemos calcular el potencial eléctrico para las cargas individuales sino que el potencial eléctrico puede ser calculado cuando están presentes varias de ellas, como la suma algebraica de sus potenciales eléctricos individuales.
Resuelve ahora la consigna que ha sido definida para esta lección. Cuando sientas que es conveniente y necesario, puedes acudir con tu asesor para consultarlo en cuanto a estos contenidos y disipar tus dudas. En las fuentes de información de apoyo, enseguida, se ha incluido el capítulo del libro de Paul E. Tippens, que te permitirá ampliar y profundizar tu aprendizaje.
¡Vas avanzando muy bien en tu estudio de la Electricidad! No olvides que estos aprendizajes te habilitan para entender de mejor manera el Electromagnetismo, tema que será abordado en el bloque III de esta materia.
¡Nos vemos en la siguiente sesión!
Fuentes de información
Tippens, P. (2011). Potencial eléctrico. En Edamsa Impresiones (Ed.), Física Conceptos y aplicaciones, (p.496-508). Mc Graw Hill.