Qué es el potencial y la diferencia de potencial entre dos puntos

El concepto de potencial eléctrico es una base importante para la teoría de la electrostática y la electrodinámica. Comprender su esencia es un requisito previo para seguir estudiando estas ramas de la física.

Qué es un potencial eléctrico

Pongamos una carga unitaria q en el campo creado por una carga estacionaria Q, que está influenciada por Fuerza de Coulomb F=k*Qq/r.

En adelante k=((1/4)*π* ε* ε), donde ε_{0 —} es la constante eléctrica (8,85*10^-12 F/m), y ε constante dieléctrica del medio.

Presentado por carga puede moverse bajo la acción de esta fuerza, y la fuerza hará algún trabajo al hacerlo. Esto significa que un sistema de dos cargas tiene una energía potencial que depende de la magnitud de ambas cargas y de la distancia entre ellas, y la magnitud de esta energía potencial es independiente de la magnitud de la carga q. Aquí se introduce la definición del potencial eléctrico: es igual a la relación entre la energía potencial del campo y la magnitud de la carga:

φ = W/q,

donde W es la energía potencial del campo creado por el sistema de cargas, y el potencial es la energía característica del campo. Para mover una carga q en un campo eléctrico a lo largo de una cierta distancia, hay que realizar algún trabajo para superar la fuerza de Coulomb. El potencial de un punto es igual al trabajo necesario para mover una carga unitaria desde ese punto hasta el infinito. Hay que tener en cuenta que:

• este trabajo será igual a la pérdida de energía potencial de la carga (A=W₂-W₁);
• el trabajo es independiente de la trayectoria de la carga.

En el sistema SI, la unidad de potencial es un voltio (en la literatura rusa se denota por V, en la extranjera - por V). 1 V=1J/1Kl, es decir, podemos hablar del potencial de un punto de 1 Volt, si se necesita un trabajo de 1 Joule para mover una carga de 1Kl hasta el infinito. El nombre se eligió en honor al físico italiano Alessandro Volta, que hizo una importante contribución al desarrollo de la ingeniería eléctrica.

Para visualizar lo que es el potencial, se puede comparar con la temperatura de dos cuerpos o la temperatura medida en diferentes puntos del espacio. La temperatura es una medida del calentamiento de los objetos y el potencial es una medida de la carga eléctrica. Se dice que un cuerpo se calienta más que otro; también se puede decir que un cuerpo está más cargado y el otro menos. Estos cuerpos tienen diferentes potenciales.

El valor del potencial depende de la elección del sistema de coordenadas, por lo que algún nivel debe tomarse como cero. Al medir la temperatura, se puede tomar como límite de referencia la temperatura del hielo en fusión, por ejemplo. Para un potencial, el potencial de un punto infinitamente distante se suele tomar como cero, pero para algunas aplicaciones, el potencial de la tierra o el potencial de uno de los terminales de un condensador, por ejemplo, se puede tomar como cero.

Propiedades de un potencial

Algunas propiedades importantes de un potencial son

• si el campo es generado por varias cargas, el potencial en un punto concreto será igual a la suma algebraica (teniendo en cuenta el signo de la carga) de los potenciales generados por cada una de las cargas φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+...+φ_n;
• si las distancias de las cargas son tales que las propias cargas pueden considerarse puntuales, el potencial total se calcula mediante la fórmula φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+...+q_n/r_n), siendo r la distancia de la carga correspondiente al punto en cuestión.

Si el campo está formado por un dipolo eléctrico (dos cargas afines de signo contrario), el potencial en cualquier punto situado a una distancia r del dipolo es φ=k*p*cosά/r²donde:

• p es el brazo eléctrico del dipolo, igual a q*l, donde l es la distancia entre las cargas;
• r es la distancia al dipolo;
• ά es el ángulo entre el brazo del dipolo y el radio vector r.

Si el punto se encuentra en el eje del dipolo, cosά=1 y φ=k*p/r².

Diferencia de potencial

Si dos puntos tienen un determinado potencial, y si no son iguales, se dice que existe una diferencia de potencial entre ambos puntos. Se produce una diferencia de potencial entre los puntos

• cuyo potencial está determinado por cargas de distinto signo;
• un punto con un potencial de cualquier signo de carga y un punto con potencial cero
• puntos que tienen un potencial de igual signo pero diferente en módulo.

Es decir, la diferencia de potencial no depende de la elección del sistema de coordenadas. Se puede establecer una analogía con los estanques de agua situados a diferentes alturas en relación con el nivel del suelo (por ejemplo, el nivel del mar).

El agua de cada estanque tiene una determinada energía potencial, pero si se conectan dos estanques cualesquiera mediante un tubo, habrá un flujo de agua en cada estanque, cuyo flujo está determinado no sólo por el tamaño del tubo, sino también por la diferencia de energías potenciales en el campo gravitatorio de la Tierra (es decir, la diferencia de altitudes). El valor absoluto de las energías potenciales no importa en este caso.

Del mismo modo, si se conectan dos puntos con diferente potencial con un conductor, éste llevará una corriente eléctricadeterminado no sólo por la resistencia del conductor sino también por la diferencia de potencial (pero no por su valor absoluto). Siguiendo con la analogía del agua, podemos decir que el agua de la cuenca superior se agotará pronto y, a menos que se encuentre una fuerza que haga subir el agua (como una bomba), el flujo se detendrá muy rápidamente.

Lo mismo ocurre en un circuito eléctrico: para mantener la diferencia de potencial en un determinado nivel, se necesitará una fuerza que transporte las cargas (o mejor dicho, los portadores de carga) al punto con mayor potencial. Esta fuerza se denomina fuerza electromotriz y se abrevia como CEM. Los CEM pueden ser de distinta naturaleza: electroquímicos, electromagnéticos, etc.

En la práctica, lo que importa es principalmente la diferencia de potencial entre el punto de partida y el punto final de la trayectoria de los portadores de carga. En este caso, esta diferencia se llama tensión, y en el SI también se mide en voltios. Se puede decir que una tensión de 1 voltio si el campo realiza el trabajo de 1 julio al mover una carga de 1 culombio de un punto a otro, es decir, 1V=1J/1Kl, y J/Kl también puede ser la unidad de medida de la diferencia de potencial.

Superficies equipotenciales

Si el potencial de varios puntos es el mismo y estos puntos forman una superficie, dicha superficie se llama equipotencial. Una esfera circunscrita alrededor de una carga eléctrica, por ejemplo, tiene esta propiedad, ya que el campo eléctrico disminuye por igual en todas las direcciones con la distancia.

Todos los puntos de esta superficie tienen la misma energía potencial, por lo que no se gastará ningún trabajo al mover una carga en dicha esfera. Las superficies equipotenciales de los sistemas de varias cargas tienen una forma más compleja, pero tienen una propiedad interesante: nunca se cruzan. Las líneas de fuerza del campo eléctrico son siempre perpendiculares a las superficies con el mismo potencial en cada uno de sus puntos. Si la superficie equipotencial es diseccionada por un plano, obtenemos una línea de potenciales iguales. Tiene las mismas propiedades que una superficie equipotencial. En la práctica, los puntos de la superficie de un conductor situados en un campo electrostático, por ejemplo, tienen un potencial igual.

Una vez que hayas comprendido el concepto de potencial y diferencia de potencial, podrás empezar a aprender más sobre los fenómenos eléctricos. Pero no antes, porque sin una comprensión de los principios y conceptos básicos, no será posible profundizar en sus conocimientos.

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