potencial electrico
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POTENCIAL ELÉCTRICO
¿QUÉ ES POTENCIAL ELÉCTRICO?
El potencial es sólo una característica del campo sin importar cualquier
partícula de prueba con carga que pueda estar colocada en el campo. Al
hablar del potencial eléctrico, se refiere a la cantidad obtenida al dividir la
energía potencial entre la carga de prueba se obtiene una cantidad física
que depende de la distribución de carga fuente. Dicho de otra forma, el
potencial eléctrico es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para
traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en
contra de la fuerza eléctrica.
Dependiendo de la distribución de las cargas, el potencial Vp puede ser
positivo, negativo, o cero. Supongamos que el potencial es positivo en un
cierto punto; la energía potencial en ese punto es positiva. Si fuésemos a
mover una carga de prueba positiva desde el infinito hasta ese punto, el
campo eléctrico realizaría un trabajo negativo, lo cual indica que, en
promedio, la carga de prueba ha experimentado una fuerza de repulsión. Por
lo tanto, el potencial cerca de una carga positiva aislada es positivo. Si el
potencial en un punto es negativo, sucede lo contrario: cuando traemos a
una carga de prueba positiva desde el infinito, el campo eléctrico realiza un
trabajo positivo y, en promedio, la fuerza es de atracción. Por lo tanto, el
potencial cerca de una carga negativa aislada es negativo.
Si el potencial es cero en algún punto, el campo eléctrico no realiza ningún
trabajo neto al moverse la carga de prueba desde el infinito, aunque la carga
de prueba haya pasado a través de una región en que haya experimentado
fuerzas eléctricas de atracción o de repulsión. Un potencial de cero en un
punto no necesariamente significa que el campo eléctrico sea cero en dicho
punto.
ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA
La ENERGÍA POTENCIAL se define como la capacidad para
realizar trabajo que surge de la posición o configuración. En el caso
eléctrico, una carga ejercerá una fuerza sobre cualquier otra carga y
la energía potencial surge del conjunto de cargas.
Considerar ahora la energía potencial de un sistema formado por
dos partículas con carga. Si V2 es el potencial eléctrico en un punto
P debido a la carga q2, por lo tanto el trabajo que debe realizar un
agente externo para traer una segunda carga q1 desde el infinito
hasta P sin aceleración es igual a q1V2.
Este trabajo representa una transferencia
de energía hacia el interior del sistema y
aparece en éste como energía potencial
U cuando las partículas están separadas
una distancia r12 Por lo tanto, exprese la
energía potencial del sistema como:
Donde ke es la constante de Coulomb
DIFERENCIA DE POTENCIAL
Se define la diferencia de potencial entre dos puntos como el trabajo
que realiza la unidad de carga al caer desde el potencial más alto al
más bajo.
Si la carga de prueba es desplazada entre las posiciones A y B en un
campo eléctrico, el sistema carga-campo experimenta un cambio en su
potencial. La diferencia de potencial V = VA - VB entre los puntos A y B
de un campo eléctrico se define como el cambio en energía potencial
en el sistema al mover una carga de prueba q0 entre los puntos,
dividido entre la carga de prueba.
Ya que el potencial eléctrico es una medida de la energía potencial por
unidad de carga, la unidad del SI, tanto del potencial eléctrico como de
la diferencia de potencial, es joules por cada coulomb, que se define
como un volt (V):
1 V= 1 J/C
GRADIENTE DE POTENCIAL
El gradiente de potencial es la relación que da el valor de un campo
eléctrico en cualquier punto del aislamiento, en función de la posición
de este punto.
Donde:
U0 = Tensión simple (fase-neutro) en voltios
r1 = Radio del núcleo (incluyendo la capa conductora eventual del
núcleo en mm).
r2 = Radio de la cubierta aislante de un conductor (sin incluir la capa
conductora eventual sobre aislante en mm).
DISTRIBUCIÓN DE CARGA Y CAMPO ELÉCTRICO
POTENCIAL
Por lo tanto, el campo eléctrico es una medida de la relación de cambio
en función de la posición del potencial eléctrico. Una unidad de energía
comúnmente utilizada en física atómica y nuclear es el electrón volt
(eV), que se define como la energía que un sistema carga-campo gana
o pierde cuando se desplaza una carga de magnitud e (un electrón o
un protón) a causa de una diferencia de potencial de 1 V.
En un campo uniforme, las líneas siempre apuntan en dirección en que
disminuye el potencial eléctrico. Este resultado, muestra que si q0 es
positiva, en tal caso U es negativa. Debido a eso un sistema
consistente de una carga positiva y un campo eléctrico pierde energía
potencial eléctrica cuando la carga se mueve en la dirección del
campo.
Potencial en una carga puntual
Considérense los puntos A y B y una carga puntual q tal como muestra
la figura. Según se muestra, E apunta a la derecha y dl, que siempre
está en la dirección del movimiento, apunta a la izquierda. Por
consiguiente:
Escogiendo el punto de referencia A en el infinito, esto es, haciendo
que rA 0, considerando que en ese sitio y eliminando el
subíndice B, se obtiene:
Potencial por una distribución conjunta de cargas
puntuales
El potencial en un punto cualquier debido a un grupo de cargas
puntuales se obtiene calculando el potencial debido a cada carga,
como si las otras cargas no existieran, y sumando las cantidades así
obtenidas, o sea:
Siendo el valor de la enésima carga y la distancia de la misma al
punto en cuestión. La suma que se efectúa es una suma algebraica y
no una suma vectorial
Potencial por una distribución continua de cargas
Si la distribución de carga es continua y no una colección de puntos, la
suma debe reemplazarse por una integral:
Siendo dq un elemento diferencial de la distribución de carga, r su
distancia al punto en el cual se calcula V y dV el potencial que dq
produce en ese punto
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
Las líneas de fuerza proporcionan una manera apropiada de visualizar
el campo debido a cualquier distribución de carga. Podemos realizar
una representación gráfica similar basados en el potencial eléctrico. En
este método, trazamos una familia de superficies que unan puntos que
tengan el mismo valor del potencial eléctrico. Estas superficies se
llaman superficies equipotenciales y se define como el lugar
geométrico de un campo escalar donde el potencial de campo, es
decir, que son aquellas líneas en las que todos sus puntos tienen el
mismo potencial.
Si este dibujo de un campo uniforme lo extendiéramos a tres
dimensiones, los puntos que tuvieran un valor de potencial dado
formarían una superficie plana: en un campo eléctrico uniforme, las
superficies equipotenciales son planos. En cambio, el potencial de una
carga puntual depende de la distancia radial desde la carga. Así pues,
todos los puntos en un radio dado tienen el mismo potencial, y las
superficies equipotenciales de una carga puntual forman una familia
de esferas concéntricas
EJEMPLOS DE SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
CAMPO UNIFORME CARGA PUNTUAL DIPOLO ELECTRICO
BIBLIOGRAFÍA
Serway. RA. Física . Tomo II. Ed. Mc Graw Hill. 7a. ed.
México. 2009. Paginas 692-715
Halliday. D.. Resnick. R Física . Tomo II. Ed. 6ta México.
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