Antes de estudiar este tema, primero comprenda los conceptos básicos de física , fuerzas conservativas , carga eléctrica , ley de Coulomb y campos eléctricos.
La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa.
Además de la fuerza gravitatoria y la fuerza elástica, otro ejemplo de fuerza conservativa es la fuerza eléctrica. Para comprender mejor por qué se denomina fuerza conservativa a la fuerza eléctrica, lea la siguiente explicación.
Supongamos que hay dos placas cargadas eléctricamente como se muestra en la imagen, la placa izquierda está cargada positivamente y la placa derecha está cargada negativamente.n negativo. La flecha entre ambos platos son líneas de campo eléctrico yang Una carga positiva se dirige hacia una carga negativa. Una carga positiva está cerca de una placa cargada positivamente.
La presencia de un campo eléctrico provoca una carga positiva.if experimenta una fuerza eléctrica en la misma dirección que el campo eléctrico, de modo que la carga positiva se acelera. A la derecha hacia la placa cargada negativamente. La dirección de la fuerza eléctrica es hacia la derecha, en la misma dirección que dirección del movimiento carga, de modo que la fuerza eléctrica realiza un trabajo positivo sobre la carga. Matemáticamente, el trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre una carga positiva es W = F s = q E s, ddonde W = trabajo, F = fuerza eléctrica, s = distancia entre las dos placas, q = carga positiva, E = campo eléctrico.
Después de llegar cerca de la placa cargada negativamente, si carga positiva quieroespaldapuede a su posición original cerca placa cargada positivamente entonces se necesita tu estiloArkansas. Cuando la carga es positiva emocionado A la izquierda hacia la placa cargada positivamenteLa fuerza eléctrica permanece dirigida hacia la derecha, por lo que realiza un trabajo negativo sobre la carga. Matemáticamente, el trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre una carga positiva es W = – F s = – q E s.
Uel esfuerzo total ejercido por la fuerza eléctrica sobre una carga positiva, cuando la carga se mueve hacia la derecha y luego se mueve nuevamente hacia la izquierda hasta su posición original. es W = q E s – q E s = 0. Si el trabajo total realizado por una fuerza sobre un objeto cuando este se aleja de su posición original y luego regresa a ella es igual a cero, entonces se trata de una fuerza conservativa. Basándonos en la explicación anterior, se puede concluir que la fuerza eléctrica es una fuerza conservativa.
fuerza eléctrica y energía potencial eléctrica
El trabajo realizado por una fuerza conservativa está relacionado con el cambio en la energía potencial. Por ejemplo, el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria sobre una masa modifica la energía potencial gravitatoria de dicha masa. De manera similar, el trabajo realizado por una fuerza eléctrica sobre una carga eléctrica modifica la energía potencial eléctrica de la carga.
Carga positiva en un campo eléctrico homogéneo
Las dos figuras que aparecen a continuación ilustran ejemplos del trabajo realizado por una fuerza conservativa que provoca un cambio en la energía potencial. Las explicaciones del trabajo realizado por la fuerza gravitatoria y el cambio en la energía potencial gravitatoria se utilizan como comparación para facilitar la comprensión del trabajo realizado por la fuerza eléctrica y el cambio en la energía potencial eléctrica.
La imagen de la izquierda muestra un objeto cayendo. libre hacia la superficie del suelo. Cuando un objeto se encuentra a cierta altura, posee la máxima energía potencial gravitatoria. Cuando un objeto se mueve hacia abajo, la fuerza de gravedad actúa sobre él. La dirección de la fuerza gravitatoria coincide con la dirección del desplazamiento del objeto, es decir, hacia abajo, por lo que la fuerza gravitatoria realiza trabajo positivo. Cuando un objeto acelera hacia abajo, su altura disminuye, reduciendo así su energía potencial gravitatoria. Cuando está a punto de tocar el suelo, la energía potencial gravitatoria se encuentra en su valor mínimo. Se puede concluir que el trabajo positivo realizado por la fuerza gravitatoria sobre un objeto reduce la energía potencial gravitatoria del objeto. La energía potencial gravitatoria no se pierde, sino que se convierte en energía cinética, lo cual se evidencia en el aumento de la velocidad del objeto al moverse hacia abajo.
La imagen de la derecha muestra una carga positiva.f está cerca de una placa cargada positivamente. Cuando está cerca de una placa cargada positivamente, la energía potencial eléctrica de la carga está en su máximo. La presencia de un campo eléctrico entre las dos placas hace que la carga sea acelerada por la fuerza eléctrica de placa cargada positivamente a placa cargada negativamente. Cuando La carga se mueve hacia la derecha.fuerza eléctrica también en la misma dirección que El desplazamiento de la carga es hacia la derecha, por lo que la fuerza eléctrica realiza trabajo positivo. Mientras se mueve Hacia la derecha, la energía cinética de la carga aumenta mientras que la energía potencial eléctrica disminuye. Cuando llega cerca de la placa cargada negativamente, la energía potencial eléctrica de la carga se encuentra en su valor mínimo. Se puede concluir que el trabajo positivo realizado por la fuerza eléctrica sobre Muatán, reduciendo la energía potencial eléctrica de la carga. Sde lo contrario, Jika La carga positiva se mueve de vuelta a su posición original. entonces la dirección de transferencia de carga es hacia la izquierda, opuesta a la dirección fuerza eléctrica hacia la derechanDebido a que la fuerza eléctrica actúa en dirección opuesta, realiza trabajo negativo sobre la carga positiva. A medida que se desplaza hacia la izquierda, la energía potencial eléctrica aumenta. Por lo tanto, se puede concluir que el trabajo negativo realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga incrementa la energía potencial eléctrica de la misma.
Carga negativa en un campo eléctrico homogéneo
A diferencia de las cargas positivas, las cargas negativas presentan la máxima energía potencial eléctrica cuando se encuentran cerca de una placa cargada negativamente y la mínima cuando están cerca de una placa cargada positivamente. Naturalmente, las cargas eléctricas se mueven de un potencial alto a uno bajo, por lo que las cargas negativas también se mueven de una placa cargada negativamente a una cargada positivamente. La dirección del movimiento de la carga negativa es hacia la izquierda, mientras que la dirección de la fuerza eléctrica es hacia la derecha, por lo que la fuerza eléctrica realiza trabajo negativo. Al moverse hacia la izquierda, la energía potencial eléctrica de la carga negativa disminuye y alcanza un valor mínimo cuando la carga negativa se acerca a la placa cargada positivamente. Se puede concluir que el trabajo negativo realizado por la fuerza eléctrica reduce la energía potencial eléctrica de la carga negativa. La energía potencial eléctrica no se pierde, sino que se convierte en energía cinética, lo que se evidencia en el aumento de la velocidad de la carga al moverse hacia la placa cargada positivamente.
Energía potencial eléctrica en un campo eléctrico homogéneo
Se desconoce la energía potencial eléctrica de una carga en una posición determinada. Sin embargo, si la carga se desplaza de un lugar a otro, se puede determinar el cambio en su energía potencial eléctrica. Por lo tanto, lo que importa es el cambio en la energía potencial (ΔEP).
En comparación, cuando un mango está sobre su tallo, el mango tiene energía potencial. gravedad, pero su valor no se puede conocer. Si un mango es acelerado hacia el suelo por la fuerza de la gravedad, entonces disminuir La energía potencial gravitatoria de un mango se puede determinar calculando mediante la fórmula W = ΔEP = mgh, donde m = masa, g = aceleración debida a la gravedad, h es la distancia entre el tallo del mango y la superficie del suelo.
Asimismo, el cambio en la energía potencial eléctrica de una carga se puede conocer cuando la carga es acelerada por una fuerza eléctrica de un punto a otro. Como se explicó anteriormente, si una carga positiva se mueve de una placa cargada positivamente a una entonces la placa está cargada negativamente disminuir La energía potencial eléctrica de la carga se calcula utilizando la fórmula W = ΔEP = q E s, donde q = carga eléctrica, E = campo eléctrico y s es la distancia entre las dos placas o la distancia entre un lugar y otro. De igual manera, si una carga negativa se mueve de una placa cargada negativamente a una placa cargada positivamente, entonces aumentar La energía potencial eléctrica de una carga negativa se calcula utilizando la fórmula W = ΔEP = q E s.
energía potencial eléctrica de dos cargas puntuales
Los cambios en la energía potencial eléctrica no solo los experimentan las cargas en un campo eléctrico homogéneo, sino también en el campo eléctrico producido por una sola carga eléctrica. Supongamos que hay una sola carga Q que produce un campo eléctrico y que la carga q se encuentra a una distancia r de la carga Q.
Informacion: k (constante de Coulomb) = 9 x 109 nm2/C2, Q = carga eléctrica que crea un campo eléctrico, q = carga eléctrica que experimenta desplazamiento en el campo eléctrico generado por la carga Q, s = r = distancia de la carga q a la carga Q.
Si ambas cargas tienen el mismo signo, + o –, se repelen o se alejan entre sí, de modo que el cambio en la energía potencial es positivo (la energía potencial eléctrica aumenta). Esto es similar a un objeto con masa que se mueve hacia arriba, alejándose de la Tierra, de manera que su altura y energía potencial gravitatoria aumentan. Por el contrario, si las dos cargas tienen signos diferentes, se atraen o se acercan entre sí, de manera que el cambio en la energía potencial es negativo (la energía potencial eléctrica disminuye). Esto es similar a un objeto con masa que se mueve hacia abajo, acercándose a la Tierra, de manera que su altura y energía potencial gravitatoria disminuyen.
La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa, por lo que la forma de la trayectoria de la carga no afecta al cambio en la energía potencial eléctrica. Lo que sí afecta al cambio en la energía potencial eléctrica son las posiciones inicial y final de la carga.
En el siguiente tema se revisará potencial eléctrico, una magnitud física que está estrechamente relacionada con energía potencial eléctrica.
