Potencial eléctrico debido a una carga puntual

Energía potencial eléctrica

El principio de la conservación de la energía asegura que la energía cinética que adquiere la partícula debe ser igual a la cantidad de algún otro tipo de energía que pierde. Esta es la energía potencial eléctrica (epot): e cinética final – e cinética inicial = -(epot final – epot inicial).

Como el cambio de la energía cinética de una partícula cualquiera es igual al trabajo que las fuerzas aplicadas sobre ellas realizan en el trayecto considerado: e cinética inicial . E cinética inicial= trabajo de las fuerzas eléctricas.

Se puede concluir que el cambio de la energía potencial eléctrica no es otra cosa que el trabajo que hace el campo eléctrico sobre una carga que en el se mueve:

-(epot final-epot inicial)= trabajo de las fuerzas eléctricas.

De la misma manera, si se quiere desplazar la carga sometida al campo eléctrico en el sentido contrario al que se movería libremente, se le debe entregar energía. Es decir se le debe aplicar una fuerza en el sentido contrario para poder moverla, o sea, hacer trabajo en contra del campo eléctrico. Y de este modo la energía que se le entrega la almacena en forma de energía potencial eléctrica.

Considéresé el caso de una carga en un campo eléctrico uniforme. Si se la carga se mueve a lo largo de una de las líneas de campo, el trabajo se calcula sencillamente como el producto entre la fuerza eléctrica y el desplazamiento:

W=F.D

En este caso, la fuerza es de interacción eléctrica entre el campo eléctrico y la carga; entonces se puede reemplazar:

W=q.E.D

Y por lo expresado anteriormente:-      Epot = q.E.D

Esto permite calcular la      Epot, energía potencial eléctrica que entrega o almacena una carga q al desplazarse una distancia d dentro de un campo eléctrico uniforme E. La energía potencial eléctrica que adquiere una carga en un punto del campo depende del valor de dicha carga y de la intensidad del campo en ese punto.

Potencial eléctrico

La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos se calcula como el trabajo (cambiado de signo) que un campo ejerce sobre una carga de 1 C que en el se desaplaza. Su unidad de medida es el volt o voltio.

En todos los casos se toma arbitrariamente un punto en el que el potencial eléctrico vale cero. Entonceel valor del potencial en cualquier otro punto representa el trabajo para llevar a la carga de 1 C desde el punto de potencial cero hasta el. Así, si un punto tiene un potencial eléctrico de 1 V, al llevar una carga de 1C desde el punto cero de potencial, adquirirá una energía potencial eléctrica de 1J.

Como se trata de la energía potencial por unidad de carga se puede expresar del siguiente modo: V= Epe/q

Para una carga puntual Q se puede calcular el potencial en un punto a una distancia d de aquella. La elección usual es tomar el potencial igual a cero a distancias infinitamente grandes de la carga, entonces resulta: V= k.Q/d

Superficies equipotenciales

Como el potencial es una magnitud escalar, en el caso de una carga puntual, los puntos que estén a igual distancia de ella tienen el mismo valor de potencial. Cada una de las esferas imaginarias que rodean a la carga unen puntos del mismo potencial eléctrico dichas esferas reciben el nombre de superficies equipotenciales estas tendrán formas diferentes según la distribución de las mismas. Si una carga se mueve sobre una superficie equipotencial, su energía eléctrica cambia; esto quiere decir que la fuerza eléctrica no realiza trabajo. Para que se realice trabajo eléctrico, debe haber una diferencia de potencial. Esta idea es fundamental cuando se trabaja con circuitos eléctricos.

Capacitancia y capacitores

Un capacitor o condensador consta de dos conductores separados por un medio aislante que, al conectarse a una pila o fuente se cargan eléctricamente, cada uno con carga de signo opuesto a la del otro. La principal carácterística es su capacitancia o capacidad (C) esta mide la relación entre la cantidad de carga que puede retener el capacitor y de diferencia de potencial entre los conductores que lo forman su unidad de medida es el Faraday (F). C= Q/V

La capacidad no depende ni de la cantidad de carga, ni de la diferencia de potencial, sino que es una carácterística propia del capacitor, que si depende de su forma y del medio aislante en que se encuentra. Un capacitor sencillo consta de dos placas conductoras, entre las que puede haber aire, vacío u otro dieléctrico (vidrio papel aceite). A estos capacitores se los conoce como capacitores de cargas paralelas. C= e. S/d

La capacitancia depende solo de la forma del capacitor y el medio que encierra.

Dieléctricos

Los dieléctricos son materiales aislantes que cumplen un papel muy importante en los capacitores.

Al cargar el capacitor las cargas de las placas polarizan el dieléctrico, que permanece polarizado durante todo el proceso de armado y desarmado; el dieléctrico polarizado induce las cargas en las placas.

Al introducir una sustancia aislante entre las placas el capacitor aumenta su capacitancia con respecto a la que tenía en el aire. Esto se debe al gasto de energía realizado.

Si al dialectrico se introduce antes de cargarlo la energía almacena también aumenta ya que la energía para polarizar el dieléctrico provino de la fuente o pila que lo cargo.

Se define la constante eléctrica de cada medio o sustancia como la relación entre la capacidad de un capacitor con ese dieléctrico (C_SUST) y su capacidad en el vacío (C₀).

K= C_SUST/C₀