Definición
El potencial eléctrico se define como la energía potencial por unidad de carga eléctrica . Supongamos que en el punto a, la carga q tiene una energía potencial de EP a , entonces el potencial en el punto a se formula de la siguiente manera:
Descripción: V = potencial eléctrico, EP = energía potencial eléctrica, q = carga eléctrica.
V existe no solo en el punto a, sino también en todos los puntos del campo eléctrico . El punto a se utiliza como ejemplo. Como se explicará más adelante, su valor no depende de la carga q.
La energía potencial (EP) y la carga eléctrica son magnitudes escalares, por lo que V también lo es. La unidad del Sistema Internacional (SSI) para la EP es el julio (J/C) y la unidad del SSI para la carga eléctrica es el culombio (C/C), por lo que la unidad del SSI para V es julio por culombio (J/C). Otro nombre para J/C es voltio (V), derivado del nombre del científico italiano e inventor de la batería eléctrica, Alessandro Volta (1745-1827).
diferencia de potencial eléctrico
El potencial V en un punto, por ejemplo V en el punto a, es decir V a , no se puede conocer porque lo que importa es el cambio de potencial. El valor del cambio de potencial se puede conocer mediante cálculo o medición. V cambia cuando la carga q se mueve de un punto a otro. Supongamos que la carga q se mueve del punto a al punto b, entonces el cambio de potencial es:
V ab es la diferencia de potencial entre dos puntos en un campo eléctrico, por ejemplo, los puntos a y b. La diferencia de potencial entre los puntos a y b (V ab ) es igual al trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga eléctrica cuando se mueve del punto a al punto b, por unidad de carga (W ab /q). Cabe señalar que el trabajo realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga q cuando se mueve del punto a al punto b (W ab ) es igual al cambio en la energía potencial de la carga q (ΔEP). Por lo tanto, en la ecuación anterior, ΔEP puede sustituirse por W ab.
Cuando un objeto se encuentra a cierta altura sobre el suelo, posee energía potencial gravitatoria, tomando como referencia la superficie del suelo. En este caso, la altura de la superficie del suelo y la energía potencial gravitatoria en dicha superficie se establecen en cero. De forma similar a la energía potencial gravitatoria, cuando indicamos que un punto posee un potencial determinado, se debe utilizar otro punto como referencia, considerando que solo se puede calcular la diferencia de potencial. Generalmente, se elige el suelo o un conductor eléctrico conectado a él como punto de referencia, estableciendo el potencial en el conductor o en el suelo en cero. Así, si un punto tiene un voltaje de 12 voltios, la diferencia de potencial entre ese punto y el suelo es de 12 voltios. En una batería de 6 voltios, la diferencia de potencial entre el terminal positivo y el negativo es de 6 voltios. Dado que la unidad de diferencia de potencial es el voltio, la diferencia de potencial entre dos puntos se suele denominar voltaje eléctrico.
La ecuación de diferencia de potencial anterior se puede escribir de nuevo como sigue:
Si la carga q pasa a través de una diferencia de potencial Vab Entonces, la energía potencial cambia en ΔEP. Por ejemplo, si una carga de 2 culombios pasa a través de una diferencia de potencial de 12 voltios, la energía potencial cambia en (2 C)(12 V) = 24 julios. De igual manera, si una carga de 4 culombios pasa a través de una diferencia de potencial de 24 voltios, la energía potencial cambia en (4 C)(24 V) = 96 julios.
Por lo tanto, el cambio en la energía potencial (ΔEP) es proporcional a la carga (q) y al voltaje eléctrico (Vab ) . Cuanto mayor sea la carga eléctrica y/o el voltaje eléctrico, mayor será el cambio en la energía potencial. La energía potencial está relacionada con la capacidad de realizar trabajo, así que si el cambio en la energía potencial es grande, la capacidad de realizar trabajo también lo será.
La ecuación de diferencia de potencial anterior sigue siendo general. Para obtener una ecuación V más detallada, considere la diferencia de potencial en un campo eléctrico homogéneo y la generada por una sola carga.
Campo eléctrico homogéneo
La diferencia de potencial entre dos puntos en un campo eléctrico homogéneo, por ejemplo el punto a y el punto b, se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
Descripción: V ab = diferencia de potencial entre dos puntos, E = campo eléctrico y s = distancia entre dos puntos.
Carga única
El potencial en un punto debido a la presencia de una sola carga que produce un campo eléctrico se puede calcular utilizando la ecuación:
Descripción: V ab = diferencia de potencial entre dos puntos, k = constante de Coulomb, Q = carga única que produce un campo eléctrico, r = distancia entre la carga Q y el punto donde se calcula el potencial.
La relación entre el campo eléctrico y el potencial
El campo eléctrico es una magnitud vectorial, mientras que el potencial es una magnitud escalar. Las magnitudes vectoriales implican dirección, lo que las hace más difíciles de calcular que las escalares. Para simplificar los cálculos, se utiliza una ecuación que expresa la relación entre el campo eléctrico y el potencial.
La ecuación de diferencia de potencial que se explicó anteriormente se reescribe como se muestra a continuación:
Matemáticamente, el trabajo es el producto de la fuerza y el desplazamiento, donde la fuerza es el producto de la carga y el campo eléctrico. La relación entre trabajo, fuerza y desplazamiento se expresa mediante la siguiente ecuación:
Si se combinan las dos ecuaciones anteriores, se obtiene una nueva ecuación como la siguiente:
Descripción: E = Campo eléctrico, V ab = diferencia de potencial entre dos puntos, por ejemplo los puntos a y b, d = distancia entre dos puntos.
La unidad de diferencia de potencial es el voltio y la unidad de distancia es el metro, por lo que el campo eléctrico se puede expresar en unidades de voltio por metro (V/m).
Esta ecuación permite determinar un campo eléctrico (homogéneo) si se conocen la diferencia de potencial entre dos puntos y la distancia entre ellos. Según la ecuación, el campo eléctrico es proporcional al potencial e inversamente proporcional a la distancia. Esto significa que cuanto mayor sea el potencial, mayor será el campo eléctrico, y cuanto mayor sea la distancia, menor será el campo eléctrico.
