Potencial eléctrico
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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
Características
Sea el campo eléctrico creado por una carga positiva +Q, si se supone que tenemos en el infinito una carga positiva unidad y se traslada a un punto A ejerciendo sobre ella una fuerza igual y opuesta a la fuerza con que el campo tiende a alejarla, se habrá realizado un trabajo. Por definición, el potencial eléctrico en un punto es el trabajo realizado sobre la unidad de carga positiva al desplazarla desde el infinito hasta dicho punto. Se representa por V.
Si en lugar de trasladar desde el infinito al punto A una carga unidad trasladáramos una carga q, el trabajo que habríamos realizado sería:
W = q-VA, donde VA es el potencial en el punto A. El trabajo Wes positivo si la carga q es positiva, y negativo si la carga es negativa.
Por ser el potencial el cociente entre un trabajo y una carga, su fórmula dimensional será:
[V]= [M].[L]2.[T]-3.[I]-1
La unidad de potencial en el Sistema Internacional es el voltio o volt (símbolo, V).
Un voltio es el potencial existente en un punto tal que para transportar una carga positiva de un culombio desde el infinito hasta él se requiere un trabajo de un julio (1V = 1 J/1 C).
De acuerdo con la definición:
El potencial es una magnitud escalar (como el trabajo y la carga).
El potencial cero corresponde al punto del infinito.
El potencial creado por una carga positiva es positivo.
El potencial creado por una carga negativa es negativo.
Por sí solas, las cargas positivas se desplazan desde los puntos a mayor potencial a los puntos a menor potencial; los electrones, al revés.
Al ser el potencial eléctrico una magnitud escalar, el potencial creado en un punto por un sistema de cargas es la suma algebraica de los potenciales creados por cada una de esas cargas en dicho punto.
Para calcular el potencial en un punto A situado a una distancia r de la carga +Q que crea el campo, tendremos que calcular el trabajo necesario para traer la carga positiva unidad desde el infinito a ese punto como suma de trabajos elementales, ya que la fuerza que hemos de vencer al realizar este trabajo no es constante (varía con la distancia). Planteamos, pues, el sumatorio:
VA = ΣF. Δx
VA =Σ1/4¶£ο Q/x² Δx
Este sumatorio, en el que la variable x toma todos los valores desde infinito hasta r, debe calcularse como una integral, llegándose a la expresión:
VA = 1/4¶£ο Q/r que evidencia que el potencial disminuye con la distancia a la carga que crea el campo.
Esta fórmula muestra que la intensidad de campo puede expresarse en V/m (voltios/metro) en lugar de en N/C (newtons/culombio), ya que el módulo de esa magnitud vectorial es
E = 1/4 ¶£οQ/r2.
Diferencia de potencial
Consideremos ahora dos puntos A y B de un campo eléctrico, cuyos potenciales son, respectivamente, VA y VB. Para transportar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta A se requiere un trabajo VA, y para hacerlo desde el infinito hasta B un trabajo VB; por lo tanto, para transportar esa unidad de carga desde B hasta A, habría que realizar un trabajo
W= VA- VB; ese trabajo se denomina diferencia de potencial. Así, la diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un campo eléctrico es el trabajo que hay que realizar sobre la unidad de carga positiva para transportarla desde B hasta A. La diferencia de potencial se denomina asimismo tensión y se abrevia d.d.p.
Si en lugar de la carga unidad positiva, transportásemos desde B hasta A una carga q, el trabajo que tendríamos que realizar sería q veces mayor, es decir, sería:
W = q.(VA-VB) donde VA - VB es la diferencia de potencial entre A y B.
La diferencia de potencial, al igual que el potencial eléctrico, se expresa en voltios.
Superficies equipotenciales
Las superficies equipotenciales constituyen una forma de describir completamente un campo eléctrico. Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de los puntos que están a un mismo potencial. De acuerdo con está definición, no se realiza trabajo contra el campo cuando se lleva una carga de un punto A a otro B sobre una superficie equipotencial, ya que es VA = VB.
Las superficies equipotenciales deben ser normales en todo punto a las líneas de fuerza, puesto que de no ser así no podría ser nulo el trabajo realizado al desplazar una carga sobre la superficie equipotencial. Por ejemplo, en el caso del campo creado por una carga eléctrica única Q, dichas superficies serán esferas con centro en Q.
En un conductor en equilibrio todos los puntos están al mismo potencial, ya que, como vimos, las cargas pueden desplazarse en su interior sin realizar ni consumir trabajo. Asimismo, la superficie del conductor es una superficie equipotencial, ya que el campo es normal a ella en todos los puntos.
Fuentes
- Enciclopedia autodidáctica interactiva Océano. Océano grupo Editorial S.A. Impreso España. ISBN 84-494-0715-X (Volumen 4). Física. Electrostática.
- Colectivo de Autores. Libro de texto Física 9no grado. Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana. 2001.
