Fundamentos de Electrostática: Energía Potencial, Potencial Eléctrico y Capacitancia

1. Definición Cualitativa de la Energía Potencial Eléctrica

• La energía potencial se define como la capacidad de un sistema para realizar trabajo debido a su posición o configuración.
• Para una carga situada en una posición A, la energía potencial eléctrica equivale al trabajo realizado por una fuerza externa para trasladar dicha carga desde el infinito hasta esa posición A.
• El trabajo (W) realizado por la fuerza eléctrica sobre una partícula cargada que se mueve en un campo eléctrico se representa como el cambio en la función de energía potencial (U).

2. Definición Cualitativa y Operacional del Potencial Eléctrico

• El potencial eléctrico en un punto del espacio es una magnitud escalar que permite medir el campo eléctrico en dicho punto a través de la energía potencial electrostática que adquiriría una carga si se situara en ese punto.
• El potencial eléctrico en un punto determinado es la energía potencial asociada a una carga unitaria colocada en ese punto. Por esta razón, el potencial se mide en joules por coulomb (J/C), o volts (V). Es importante recordar que no es necesario que haya una carga en un punto dado para que exista un potencial V en ese lugar.

3. Diferencia Fundamental entre Energía Potencial Eléctrica y Potencial Eléctrico

• La energía potencial eléctrica (U) es la energía que posee un sistema de cargas debido a su configuración, y se mide en joules (J). Por otro lado, el potencial eléctrico (V) es la energía potencial por unidad de carga, es decir, el trabajo necesario para mover una carga de prueba unitaria desde el infinito hasta un punto dado, y se mide en volts (V) o joules por coulomb (J/C).

4. ¿Qué es la Capacitancia y de qué Depende su Valor?

• La capacitancia es una medida de la aptitud o capacidad de un capacitor para almacenar energía eléctrica.
• El valor de la capacitancia solo depende de la geometría de los conductores (formas y tamaños) y de la naturaleza del material aislante (dieléctrico) que se encuentra entre ellos.
• Específicamente, la capacitancia es directamente proporcional al área (A) de las placas e inversamente proporcional a su separación (d).
• Operacionalmente, la capacitancia (C) se expresa como la relación entre la carga eléctrica (Q) almacenada en cada conductor y la diferencia de potencial (V) entre ellos (C = Q/V).

5. ¿Qué es un Dieléctrico y Cuáles son sus Funciones en un Capacitor?

• Un dieléctrico es un material aislante que no permite el paso de la corriente eléctrica y cuya función principal es aumentar la capacitancia de un capacitor.
• La mayoría de los capacitores incorporan un material no conductor o dieléctrico entre sus placas conductoras. La colocación de un dieléctrico sólido entre las placas de un capacitor cumple principalmente tres funciones:

Funciones del Dieléctrico:

1. Soporte Mecánico: Resuelve el problema mecánico de mantener dos hojas metálicas grandes con una separación muy pequeña sin que hagan contacto, evitando cortocircuitos.
2. Incremento de la Diferencia de Potencial: Permite incrementar al máximo posible la diferencia de potencial entre las placas del capacitor antes de que ocurra una descarga disruptiva (ruptura dieléctrica).
3. Aumento de la Capacitancia: La capacitancia de un capacitor de dimensiones dadas es mayor cuando entre sus placas hay un material dieléctrico en lugar de vacío, debido a la constante dieléctrica del material.