Artículo sobre la energía potencial eléctrica
Antes de estudiar este tema, primero hay que comprender qué son el trabajo, las fuerzas conservativas, la relación entre las fuerzas conservativas y la energía potencial , las fuerzas eléctricas y el campo eléctrico.
La fuerza eléctrica es la 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, consulte la siguiente explicación.
Supongamos que hay dos placas cargadas eléctricamente como se muestra en la figura: la placa izquierda tiene carga positiva y la derecha, carga negativa. La flecha entre las dos placas representa las líneas de campo eléctrico que salen de la carga positiva hacia la carga negativa. Una carga positiva se encuentra cerca de una placa con carga positiva.
La presencia del campo eléctrico provoca que la carga positiva experimente una fuerza eléctrica en la dirección del campo, acelerándose así hacia la derecha, en dirección a la placa cargada negativamente. Esta fuerza eléctrica actúa hacia la derecha, en la misma dirección que el movimiento de la carga, realizando trabajo positivo sobre ella. Matemáticamente, el trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga positiva es W = F d = q E d, donde W es el trabajo, F es la fuerza eléctrica, d es la distancia entre las placas, q es la carga positiva y E es el campo eléctrico.
Tras acercarse a la placa cargada negativamente, para que la carga positiva regrese a su posición original cerca de dicha placa, se requiere una fuerza externa. Al desplazar la carga positiva hacia la izquierda, en dirección a la placa cargada positivamente, la fuerza eléctrica permanece dirigida hacia la derecha, realizando así un trabajo negativo sobre la carga. Matemáticamente, el trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga positiva es W = – F d = – q E d.
El trabajo total realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga positiva, cuando esta se desplaza hacia la derecha y luego regresa a su posición original, es W = q E d – q E d = 0. Si el trabajo neto realizado por la fuerza sobre el 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. Con base 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 las fuerzas conservativas está relacionado con los cambios en la energía potencial. Por ejemplo, el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria sobre un objeto con masa modifica la energía potencial gravitatoria de dicho objeto. Del mismo modo, el trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre una carga eléctrica modifica la energía potencial eléctrica de la carga.
La carga positiva en el campo eléctrico homogéneo
Las dos imágenes a continuación ilustran ejemplos del trabajo realizado por las fuerzas conservativas que causan cambios en la energía potencial. La explicación del trabajo realizado por la fuerza de gravedad y los cambios en la energía potencial gravitatoria se utiliza como comparación.
para facilitar la comprensión del trabajo realizado por la fuerza eléctrica y los cambios en la energía potencial eléctrica.
La imagen de la izquierda muestra un objeto cayendo libremente hacia la superficie del suelo. En la parte superior, el objeto posee la máxima energía potencial gravitatoria. Al descender, la fuerza gravitatoria actúa sobre el objeto. La dirección de la fuerza gravitatoria coincide con la dirección del movimiento descendente del objeto, por lo que la fuerza gravitatoria realiza trabajo positivo. Al acelerarse hacia abajo, la altura del objeto disminuye, reduciendo así su energía potencial gravitatoria. Al llegar al suelo, la energía potencial gravitatoria es mínima. Se puede concluir que el trabajo positivo realizado por la fuerza gravitatoria sobre el objeto reduce su energía potencial gravitatoria. La energía potencial gravitatoria no se pierde, sino que se transforma en energía cinética, lo cual se evidencia en el aumento de la velocidad del objeto al descender.
La figura de la derecha muestra la carga positiva cerca de la placa cargada positivamente. Cerca de una placa cargada positivamente, la energía potencial eléctrica alcanza su valor máximo. La presencia de un campo eléctrico entre las dos placas provoca que la carga se acelere debido a la fuerza eléctrica ejercida desde la placa cargada positivamente hacia la placa cargada negativamente. Cuando la carga se desplaza hacia la derecha, la fuerza eléctrica también actúa en la dirección de dicho desplazamiento, por lo que realiza trabajo positivo. Durante el movimiento hacia la derecha, la energía cinética de la carga aumenta mientras que la energía potencial eléctrica disminuye.
Al acercarse a la placa con carga negativa, la energía potencial eléctrica alcanza su valor mínimo. Se puede concluir que el trabajo positivo realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga reduce su energía potencial eléctrica. Por el contrario, si la carga positiva regresa a su posición original, su dirección cambia hacia la izquierda, en dirección opuesta a la de la fuerza eléctrica hacia la derecha. Debido a esta dirección opuesta, la fuerza eléctrica realiza un trabajo negativo sobre la carga positiva. Al moverse 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 su energía potencial eléctrica.
Carga negativa en el campo eléctrico homogéneo
A diferencia de la carga positiva, la carga negativa posee la máxima energía potencial eléctrica cuando se encuentra cerca de la placa cargada negativamente y la mínima cuando se encuentra cerca de la placa cargada positivamente. Naturalmente, la carga eléctrica se desplaza de un potencial alto a uno bajo, por lo que la carga negativa también se desplaza de la placa cargada negativamente a la placa cargada positivamente. La dirección del desplazamiento de la carga negativa es hacia la izquierda, mientras que la dirección de la fuerza eléctrica es hacia la derecha, de modo que la fuerza eléctrica realiza trabajo negativo. Al desplazarse 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 transforma en energía cinética, la cual se caracteriza por un aumento en la velocidad de la carga al moverse hacia la placa cargada positivamente.
Energía potencial eléctrica en el campo eléctrico homogéneo
Cuando una carga se encuentra en una posición fija, su valor de energía potencial eléctrica es desconocido. Sin embargo, si la carga se desplaza de un lugar a otro, se puede calcular el cambio en su energía potencial eléctrica. Por lo tanto, lo que importa es el cambio en la energía potencial. Este cambio (ΔEP) se puede determinar cuando una carga positiva se mueve de una placa de alto potencial (cargada positivamente) a una de bajo potencial (cargada negativamente).
Para comparar, cuando el mango está sobre su tallo, el mango tiene energía potencial gravitatoria, pero su valor no se puede conocer. Si el fruto del mango es acelerado hacia el suelo por la fuerza gravitatoria, el cambio de la energía potencial gravitatoria del mango se puede conocer mediante un cálculo utilizando la fórmula W = ΔEP = mgh,
donde m = masa, g = aceleración gravitacional, h = la distancia entre el mango y la superficie del suelo.
Asimismo, los cambios de la energía potencial eléctrica de una carga pueden conocerse cuando la fuerza eléctrica acelera la carga de un punto a otro. Como se explicó anteriormente, si la carga positiva se mueve de la placa cargada positivamente a la placa cargada negativamente,
El cambio en la energía potencial eléctrica se calcula mediante la fórmula W = ΔEP = q E d, donde q es la carga eléctrica, E es el campo eléctrico y d es la distancia entre dos puntos. De igual modo, si la carga negativa se mueve de la placa cargada negativamente a la placa cargada positivamente, el aumento en la energía potencial eléctrica de la carga negativa se calcula mediante la fórmula W = ΔEP = q E d.
La energía potencial eléctrica de las dos cargas puntuales
Los cambios en la energía potencial eléctrica no solo los experimenta la carga en un campo eléctrico homogéneo, sino también el campo eléctrico producido por una sola carga eléctrica. Supongamos que hay una sola carga Q que produce un campo eléctrico y que una carga q se encuentra a una distancia r de la carga Q.
Q = carga eléctrica que produce un campo eléctrico
q = carga eléctrica desplazada en el campo eléctrico producido por la carga Q
d = r = distancia de la carga q a la carga Q.
Si ambas cargas tienen el mismo signo, + o -, se repelen entre sí, de modo que el cambio en la energía potencial es positivo (la energía potencial eléctrica aumenta). Esto es similar a un objeto que se mueve hacia arriba, alejándose de la Tierra, de manera que su altura y la energía potencial gravitatoria aumentan. Por el contrario, si el signo de ambas cargas es diferente, se atraen entre sí, de modo que el cambio en la energía potencial es negativo (la energía potencial eléctrica disminuye). Esto es similar a un objeto que se mueve hacia abajo, acercándose a la superficie terrestre, de manera que su altura y la energía potencial gravitatoria disminuyen.
La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa; por lo tanto, la forma de la trayectoria de la carga no afecta las variaciones de la energía potencial eléctrica. Lo que sí influye en el valor de dichas variaciones es la posición inicial y final de la carga.
En el siguiente tema se estudiará el potencial eléctrico, magnitudes físicas que están estrechamente relacionadas con la energía potencial eléctrica.
