Energía potencial eléctrica y diferencia de potencial eléctrico
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Cuando una carga positiva libre q es acelerada por un campo eléctrico, recibe energía cinética (figura 7.2). El proceso es análogo al de un objeto acelerado por un campo gravitatorio, como si la carga bajara por una colina eléctrica donde su energía potencial eléctrica se convierte en energía cinética, aunque, por supuesto, las fuentes de las fuerzas son muy diferentes. Exploremos el trabajo realizado sobre una carga q por el campo eléctrico en este proceso, para poder desarrollar una definición de energía potencial eléctrica.
La fuerza electrostática o de Coulomb es conservativa, lo que significa que el trabajo realizado sobre q es independiente del camino recorrido, como demostraremos más adelante. Esto es exactamente análogo a la fuerza gravitatoria. Cuando una fuerza es conservativa, es posible definir una energía potencial asociada a la fuerza. Suele ser más fácil trabajar con la energía potencial (porque sólo depende de la posición) que calcular directamente el trabajo.
Para mostrar esto explícitamente, considere una carga eléctrica +q+q fija en el origen y mueva otra carga +Q+Q hacia q de tal manera que, en cada instante, la fuerza aplicada F→F→ equilibre exactamente la fuerza eléctrica F→eF→e sobre Q (Figura 7.3). El trabajo realizado por la fuerza aplicada F→F→ sobre la carga Q cambia la energía potencial de Q. Llamamos a esta energía potencial la energía potencial eléctrica de Q.
Diferencia de potencial pdf
1. (moderado) Un electrón se mueve a lo largo de un campo E. Si el K inicial del movimiento era mayor que cero, describa los siguientes parámetros: ΔK, ΔU, ΔV, Wfield Debido a que el campo forzará al electrón en la dirección opuesta a su movimiento, ΔK disminuirá, ΔU aumentará, ΔV disminuirá (como ocurre siempre que cualquier partícula sigue el campo), Wfield será negativo.
2. (moderado) Repita la pregunta nº 1 con un protón en lugar de un electrón. Como el campo forzará al protón en la misma dirección que el movimiento, ΔK aumentará, ΔU disminuirá, ΔV disminuirá (como ocurre siempre que cualquier partícula sigue al campo), Wfield será positivo.
4. (fácil) Una partícula cargada negativamente (q = -2 C) se mueve a través de una pérdida de potencial eléctrico de 2000 v. ¿Habrá una pérdida o ganancia de energía potencial eléctrica? ¿Habrá una pérdida o ganancia de energía cinética? (Nota: La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa.)ΔV = ΔU/q -2000 = ΔU/-2ΔU = 4000 JoulesHay un aumento (ganancia) de energía potencial eléctrica.Como la fuerza es conservativa:ΔK = -ΔU = -4000 JThere hay una pérdida de energía cinética.
Ejemplos de energía potencial eléctrica
La energía potencial eléctrica es inversamente proporcional a la distancia entre las dos cargas. Si la energía se cuadruplica, entonces (la distancia entre las dos cargas iguales) debe haber disminuido proporcionalmente.
Explicación: Una carga de prueba positiva se moverá naturalmente de un potencial alto a un potencial bajo. Si se mueve en la dirección opuesta, entonces el campo eléctrico realizará un trabajo en contra de su movimiento (trabajo negativo). Esto se puede ver en la ecuación del trabajo del campo eléctrico:
es el trabajo realizado por el campo eléctrico, es la carga y es la diferencia de potencial. Si es positivo (el potencial final es mayor que el potencial inicial) y también es positivo, entonces el trabajo realizado por el campo es negativo.
Paso 1: Dado que el trabajo realizado para reunir las cargas es igual a su energía potencial en esta disposición, encuentre la energía potencial entre cada par de cargas. El trabajo es igual al cambio en la energía potencial; como las cargas comienzan a una distancia infinita, la energía potencial inicial es igual a cero.
Problemas de potencial eléctrico
20. Suponga que tiene un mapa de superficies equipotenciales separadas por 1,0 V. ¿Qué te dicen las distancias entre las superficies en una región concreta sobre la fuerza del \Nvec{E}\Nen esa región?
29. Considere una carga \(\displaystyle Q_1(+5,0μC)\Nfijada en un sitio con otra carga \(\displaystyle Q_2) (carga \Nde +3,0μC\), masa \Nde 6,0μg)) que se mueve en el espacio vecino. (a) Evalúe la energía potencial de \(\displaystyle Q_2\) cuando está a 4,0 cm de \(\displaystyle Q_1\). (b) Si \N(\displaystyle Q_2\) parte del reposo desde un punto situado a 4,0 cm de \N(\displaystyle Q_1\), ¿cuál será su velocidad cuando se encuentre a 8,0 cm de \N(\displaystyle Q_1\)? (Nota: \Nla pantalla Q_1\Nse mantiene fija en su lugar).
30. Dos cargas \(\displaystyle Q_1(+2,00μC)\Ny \N(\displaystyle Q_2(+2,00μC)\Nse colocan simétricamente a lo largo del eje x en \N(\displaystyle x=±3,00cm\N). Consideremos una carga \(\displaystyle Q_3\) de carga \(\displaystyle +4,00μC\) y masa 10,0 mg que se mueve a lo largo del eje y. Si \(\displaystyle Q_3\) parte del reposo en \(\displaystyle y=2,00cm\), ¿cuál es su velocidad cuando alcanza \(\displaystyle y=4,00cm\)?
