Energía potencial eléctrica
La energía potencial eléctrica es, al igual que la PE gravitatoria, una energía de posición, pero también depende de la carga de la partícula en cuestión, por lo que no es exactamente la energía potencial a la que estamos acostumbrados. Por ello, nos referimos a ella como “potencial” y, más tarde, normalmente como “tensión”.
El potencial eléctrico se define como la energía potencial de una partícula dividida por su carga. Por lo tanto, una partícula cargada de +2 Coulomb (C) en un lugar de un campo eléctrico tiene la mitad de potencial que una partícula de +1 C en el mismo lugar.
Estas relaciones nos permitirán calcular la fuerza sobre una carga en función del lugar donde se encuentre en un campo eléctrico. Recuerda que la energía potencial es la energía de posición, por lo que cambia según la posición de una partícula cargada en un campo.
En la foto superior, la pelota experimentará una fuerza momentánea, pero después de que pierda el contacto con el pie, no podrá recibir más fuerza de éste, y seguirá adelante sólo bajo las fuerzas de la gravedad y la fricción del aire.
Otras fuerzas actúan a distancia, como la gravedad o la atracción o repulsión electrostática. Piensa en la atracción o repulsión entre dos imanes. No es necesario que se toquen para que ejerzan fuerzas entre sí, pero podemos decir que existe un campo de fuerzas entre ellos. Sin embargo, no puede haber movimiento a menos que las fuerzas que actúan sobre un objeto estén desequilibradas, es decir, sean mayores o menores en una dirección que en otra.
Energía potencial gravitatoria
ΔUE=-qE(xf-xi).ΔUE=-qE(xf-xi).Esta ecuación da el cambio en la energía potencial eléctrica de una carga q cuando se mueve de la posición xixi a la posición xfxf en un campo eléctrico constante E.La figura 18.24 muestra cómo funcionaría esta analogía si estuviéramos cerca de la superficie de la Tierra, donde la gravedad es constante. La imagen superior muestra una carga acelerando debido a un campo eléctrico constante. Del mismo modo, la masa redonda de la imagen inferior acelera debido a un campo gravitatorio constante. En ambos casos, la energía potencial de la partícula disminuye y su energía cinética aumenta.
Figura 18.24 En la imagen superior, una masa acelera debido a un campo eléctrico constante. En la imagen inferior, la masa se acelera debido a un campo gravitatorio constante.Ver FísicaAnalogía entre la gravedad y la electricidadEste vídeo analiza la analogía entre la energía potencial gravitatoria y la energía potencial eléctrica. Repasa los conceptos de trabajo y energía potencial y muestra la conexión entre una masa en un campo gravitatorio uniforme, como en la superficie de la Tierra, y una carga eléctrica en un campo eléctrico uniforme.
Unidad de energía potencial eléctrica
Cuando una carga positiva libre q es acelerada por un campo eléctrico, recibe energía cinética (Figura \(\PageIndex{1}\)). El proceso es análogo al de un objeto que es 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.
Figura \ (\PageIndex{1}\N): Una carga acelerada por un campo eléctrico es análoga a una masa que baja una colina. En ambos casos, la energía potencial disminuye a medida que aumenta la energía cinética, \(-\Delta U = \Delta K\). El trabajo lo realiza una fuerza, pero como esta fuerza es conservativa, podemos escribir \(W = -\Delta U\).
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 el trabajo directamente.
Unidad de diferencia de potencial
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.
Figura 7.2 Una carga acelerada por un campo eléctrico es análoga a una masa que baja una colina. En ambos casos, la energía potencial disminuye a medida que aumenta la energía cinética, [latex]-\Delta U=\Delta K[/latex]. El trabajo lo realiza una fuerza, pero como esta fuerza es conservativa, podemos escribir [latex]W=-\text{Δ}U[/latex].
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 el trabajo directamente.