Potencial eléctrico o electrostático
Potencial eléctrico de una partícula cargada en un punto
¿Un potencial cero en un punto del campo significa que el campo eléctrico en ese punto sea cero?
El potencial eléctrico en un punto del espacio ocupado por el campo eléctrico puede ser positivo, negativo o cero. El potencial cerca de una carga positiva aislada es positivo y cerca de una carga negativa aislada es negativo.
Se conoce que el campo electrostático realiza un trabajo para desplazar una partícula electrizada y que el mismo es independiente de la trayectoria seguida, es decir, solo depende de sus puntos inicial y final. Esta propiedad del campo electrostático lo clasifica como un campo de fuerza conservativo, al igual que el campo gravitatorio.
Como un sistema de cuerpos electrizados es capaz de realizar un trabajo a causa de sus interacciones, posee energía potencial, la cual se denomina energía potencial electrostática (Epet), luego:
Si el campo electrostático realiza un trabajo positivo (W>0), la energía potencial electrostática del sistema disminuye. Pero si el trabajo realizado por el campo electrostático es negativo (W<0), la energía potencial electrostática del sistema aumenta.
Definición : Potencial electrostático
El potencial "φ" es un escalar que sirve de característica energética del campo electrostático; este escalar determina la energía potencial de la carga "q" en un punto dado del campo. En el espacio cercano a un cuerpo electrizado, el potencial caracteriza el trabajo del campo electrostático requerido, para que una carga eléctrica pueda ser trasladada desde el infinito hasta un punto determinado del campo. Su unidad de medida en el SI es el volt (V).
El nivel cero de la energía potencial electrostática se toma arbitrariamente, y generalmente coincide con: el infinito (muy alejado del sistema) para un cuerpo puntual electrizado y en la placa negativa para dos planos electrizados con igual valor de carga pero de signos opuestos.
Como la energía potencial de un cuerpo electrizado situado en el campo electrostático es proporcional al valor de la carga, entonces el cociente de la energía potencial y la carga se denomina potencial electrostático (j), es decir:
En el SI se expresa en volt (V).
En la práctica tiene importancia no el potencial mismo en un punto, sino la variación de potencial, que no depende del nivel cero que se elija como referencia del potencial.
La diferencia de potencial Δj también suele llamarse tensión (U), luego el trabajo será:
W = -q Δφ = q (φ1 - φ2 ) = - qU
Diferencia de potencial entre dos puntos es igual a la razón del trabajo realizado por el campo, en trasladar la carga del punto inicial al final, a esta misma carga. La unidad de medida en el SI es el volt (V).
En todas las ecuaciones de trabajo (W), energía (Epet) y potencial j donde aparece la carga q se incluye su signo (-) cuando ella sea negativa (q<0).
Para un cuerpo puntual electrizado de carga eléctrica q y a una distancia r de este su potencial electrostático se calcula como:
Recuerda que...
El valor absoluto del potencial eléctrico en un punto del campo debido a una carga puntual es directamente proporcional al valor de la carga eléctrica q e inversamente proporcional a la distancia de la partícula cargada al punto.
El potencial del campo, asociado a varios cuerpos electrizados, en un punto dado se determina como la suma algebraica de los potenciales creados por las cargas puntuales individualmente:
φT = φ1 + φ2 + φ3 + ...+ φn
En general
El potencial electrostático a una distancia r de un cuerpo puntual cargado, es numéricamente igual al trabajo que realiza el campo al trasladar un cuerpo de prueba, con carga unitaria desde el punto dado del espacio hasta un punto infinitamente alejado.
El potencial es positivo para cuando la carga del cuerpo puntual es positiva .
El potencial es negativo para cuando la carga del cuerpo puntual es positiva .
Esta relación es consecuencia del principio de superposición[1] de los campos.
Saber más : Superficie equipotenciales
En un campo electrostático existen puntos de igual potencial. El lugar geométrico donde se ubican estos puntos se denomina superficie equipotencial. Para la descripción del campo electrostático suelen utilizarse una familia de superficies equipotenciales. cada una de las superficie que forman la familia corresponde a un valor diferente de potencial.
Relación entre las líneas de fuerzas y las superficies equipotenciales.
Las líneas de fuerzas son perpendiculares a cada punto de las superficies equipotenciales.
Para un campo electrostático uniforme donde las líneas de fuerzas son paralelas, las superficies equipotenciales son planos paralelos entre sí. Para u cuerpo puntual cargado, la distribución de las líneas de fuerza es radial y las superficies equipotenciales son esferas concéntricas con el cuerpo puntual.
Saber más :
Relación entre la intensidad del campo electrostático y la diferencia de potencial
Sentido de la intensidad del campo: la intensidad del campo electrostático esta dirigida en el sentido en que disminuye el potencial.
Todo campo electrostático en una pequeña región del espacio se puede considerar uniforme. Por tal razón la ecuación:
Esta ecuación es válida para cualquier campo eléctrico, si la distancia Δd es tan pequeña que la variación de la intensidad del campo electrostático en esa distancia es despreciable.
Ejemplo resuelto
La figura representa un sistema formado por dos cuerpos puntuales eléctricamente cargados. Calcula el potencial en el punto a, conociendo que en dicho punto el potencial del cuerpo 1 es de 50 V.
Saber más :
¿Qué es el electrón-volt?
Se define el electrón-volt como una unidad de energía. Un electrón-volt (eV) es igual a la energía empleada para trasladar un electrón entre dos puntos del campo eléctrico cuya diferencia de potencial es de un volt.
1 eV = 1,6 x 10-19 J
Es muy empleado por la física en el estudio de las ondas electromagnéticas, en la física cuántica y en la física de las altas energías, en la química y en diferentes ramas de la técnica.
Saber más :
¿Es importante el concepto de potencial eléctrico para estudiar nuestro cuerpo?
El concepto de potencial es significativo para la explicación del equilibrio celular- el llamado potencial de membrana en reposo (PMR) -, relacionado con la concentración iónica dentro y fuera de la membrana, para lo que es necesario, además, aplicar conocimientos de química y de matemática. Sobre su base se explica, por ejemplo, la generación y propagación del impulso nervioso, para entender nuestra reacción ante un estímulo exterior, como una luz intensa o un pinchazo.