ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA


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 Vamos a ver que es la energía potencial eléctrica, y después, ampliaremos su explicación física de forma detallada con ejemplos para que podamos entender el concepto fácilmente, incluso haciendo algunos ejercicios y explicando el potencial eléctrico, el campo eléctrico y su fórmula.

 ¿Qué es la Energía Potencial Eléctrica?

 "La Energía Potencial Eléctrica es la energía que tiene una carga eléctrica debido a su posición en relación con otra u otras cargas eléctricas".

energia potencial electrica de cargas

 En la imagen anterior la carga pequeña tiene máxima energía potencial eléctrica cuando está pegada a la carga grande. Si la soltamos se moverá por repulsión alejándose de la carga grande y perdiendo energía potencial eléctrica.

  Recuerda: las cargas eléctricas pueden tener carga positiva, por ejemplo un protón, o negativa, por ejemplo un electrón.

  Las cargas eléctricas opuestas (positiva y negativa) se atraen, al igual que la Tierra y la pelota. Las cargas iguales se repelen (por ejemplos dos cargas positivas o dos negativas).

 Si tienes una pelota con la masa m y la elevas a cualquier altura, le estás dando (aumentando) su energía potencial gravitatoria. Sabemos esto por dos razones: una, tienes que utilizar la energía de tus músculos para hacerlo, y dos, cuando se suelta la pelota, cae al suelo y la energía que tenía (potencial gravitatoria) se libera de nuevo pero ahora en forma de energía cinética (velocidad). Aumenta su velocidad (su energía cinética) mientras va perdiendo energía potencia (altura)

 La energía potencial eléctrica es similar pero con cargas eléctricas en lugar de masas. En lugar de levantar una pelota en el campo gravitacional de la Tierra, una carga eléctrica se mueve cuando está en el campo eléctrico de otra carga. La pelota se mueve (cae) porque está dentro del campo gravitacional de la tierra.

 Al separar o juntar dos cargas eléctricas una distancia (por ejemplo un radio r) dentro de sus campos eléctricos, le estas quitando o dando a las cargas eléctricas potencial energético, una respecto a la otra. Al soltar esas cargas, van a atraerse o repelerse, liberando esa energía eléctrica adquirida. Es similar también a dos imanes, pero los imanes será energía magnética.

 Antes de comenzar con la explicación física paso a paso, donde explicaremos que es un campo eléctrico, la energía potencial eléctrica, su fórmula y el potencial eléctrico con cargas concretas, es bueno que recordemos los conceptos de energía y energía potencial.

 La energía es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar cambios o trabajo. Por ejemplo, en un velero el aire mueve el velero golpeando las velas. Luego el aire tiene energía por que es capaz de realizar cambios a su alrededor. Esos cambios que realiza se llaman Trabajo. El aire se convierte en movimiento del velero por lo tanto la energía del aire se ha transformado en energía de movimiento, el aire pierde su energía y la cede al velero. Ese cambio es lo que significa que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. El aire realiza trabajo cuando mueve el velero.

 La energía potencial es la que poseen los cuerpos por estar en una determinada posición. La energía potencial más famosa es la energía potencial gravitatoria, es la energía que poseen los cuerpo por estar a una determinada altura. La gravedad de la tierra hace una fuerza sobre todos los cuerpos que están situados sobre ella, "Tira" de los cuerpo hacia abajo, por eso una piedra que esté a 10m de altura, si la soltamos la fuerza de gravedad tira de ella hasta que llega al suelo. Luego la piedra a 10m tiene una energía, esta energía se transformará en trabajo cuando la soltemos, ya que se moverá hasta llegar al suelo. Este trabajo se produce cuando la fuerza de la gravedad actúa sobre la piedra y la mueve una distancia, recuerda Trabajo = Fuerza x distancia. Cuando está quieta a una altura solo tiene energía, capacidad de realizar trabajo, pero no realiza ningún trabajo.

 Bueno, pues cuando la piedra esta quieta, sin moverse a una cierta altura, tiene una energía, y como esta energía depende de la posición de la piedra (a más altura mayor energía) resulta que la piedra posee una energía potencial, energía potencial gravitatoria, por que es producida por la gravedad. ¿Lo tenemos claro? Pues ahora pasemos a explicar la energía potencial gravitatoria.
 

 Energía Potencial Eléctrica

 Los cuerpos que poseen carga eléctrica pueden tener carga positiva o negativa, por ejemplo un electrón tiene carga eléctrica negativa y un protón positiva.

 Resulta que cuando un cuerpo tiene carga eléctrica genera una región de espacio a su alrededor (campo eléctrico) donde si introducimos otra carga eléctrica, esta se verá afectada por la primera.

campo electrico

 Fíjate en la figura, hemos puesto con un circulo la región del espacio donde si introducimos otra carga, se vería afectada por la carga eléctrica de la positiva de la figura. Esa región es lo que se llama el campo eléctrico de la carga +.

 Cualquier carga que introduzcamos en el campo de la + se verá sometido a una fuerza debida al campo eléctrico de la carga +. Esta fuerza será mayor cuanto más cerca esta una carga de la otra, es decir depende de la posición dentro del campo eléctrico ¿Te suena....? Pues claro, eso pasa con la energía potencial, depende de la posición.

 La dirección de esa fuerza a la que se va a ver sometida la carga que pongamos dentro del campo va a depender del tipo de carga que sea. ¿Te suena los polos contrarios se atraen? Pues bien, si las cargas son iguales la fuerza que tendrá hará que se repelan (se separen) y si son distintas, por ejemplo una + y la otra -, la fuerza será tal que hará que se atraigan ( se junten).

 Conclusión: El tamaño de la fuerza depende de la posición dentro del campo, pero la dirección de la fuerza dependerá del tipo que sean, cargas iguales o diferentes. Recuerda que las fuerzas se representan por medio de vectores.

fuerzas campo electrico

 Si somos capaces de dejar quieta la carga que introducimos en el campo, esta no generará trabajo, pero si tendrá energía, ya que al soltarla se moverá por la acción de la fuerza a la que se ve sometida, igual que la piedra de la que hablamos al principio. En el caso de la piedra la fuerza era producida por la gravedad de la tierra. En el caso de una carga eléctrica la fuerza será producida por estar dentro de un campo eléctrico. Es por eso que la energía que tendrá la carga dentro del campo se llamará energía potencial y eléctrica, ya que es producida por el campo eléctrico.

 Tienes que darte cuenta que al introducir una nueva carga dentro del campo de la +, la carga que introducimos nueva también tiene su propio campo, lo que hace que también sobre la carga + inicial, se genere una fuerza por causa del campo de la nueva carga que entra en su campo. Es decir 2 cargas tienen dos campos y si las dos cargas están dentro de cada uno de los campos producidos por cada una de ellas, las dos cargas tendrán una fuerza. Las dos cargas o se separan o se juntan.

campo electrico y cargas

 En la imagen de arriba hemos representado los dos casos posibles con las llamadas líneas de campo, que simplemente son unas líneas que representan las fuerzas dentro de los campos eléctricos. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro dentro del campo.

 Todas estas cantidades de fuerza y de energía se pueden calcular matemáticamente mediante una fórmula.

 ¿Con qué fuerza se atraen o repelen las cargas? Coulomb, físico e ingeniero francés, nos dio la solución con su ley. Aquí tienes la fórmula:

ley de coulomb

 Dentro de la fórmula tenemos:

 F = Fuerza de atracción o repulsión medida en Newtons (N).

 K = una constante llamada constante de proporcionalidad o de coulomb que depende del medio en el que estén las cargas y de las unidades en las que se expresen el resto de elementos que hay dentro de la fórmula. Expresando todo en el Sistema Internacional de Unidades de Medida y en el vacío vale 9x109 Nm2/C2. (9 por 10 elevado a 9)

 q1 = carga eléctrica de 1 expresada en culombios (C).

 q2 = carga eléctrica de 2 expresada en culombios (C).

 r = distancia que separa las dos cargas en metros (m).

 Si te fijas bien, te darás cuenta que si incluyes el signo en los valores de las cargas, el valor de la fuerza eléctrica en esta expresión puede venir acompañada de un signo. Este signo será:

 - Fuerza positiva. cuando la fuerza sea de repulsión

 - Fuerza negativa. cuando la fuerza sea de atracción.

 ¿Y la energía potencial eléctrica?

 La energía potencial eléctrica que posee una carga puntual q1 en presencia de otra carga puntual q2 que se encuentran separadas cierta distancia es:

energia potencial electrica

 - Ep es la energía potencial eléctrica. En el S.I. se mide en Julios (J).

 - q1 y q2 son los valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios (C).

 - r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m).

 - K es la constante de la ley de Coulomb. Para el vacío su valor es aproximadamente 9x109 N·m2/C2 utilizando unidades en el S.I.

 Esta energía potencial será positiva si las cargas poseen el mismo signo y negativa si tienen signos distintos.

 OJO si la carga está fuera del campo eléctrico de la otra carga su energía potencial eléctrica será de 0, ya que no se verá afectada.

 Recuerda esa energía potencial eléctrica será la capacidad que tendrá para realizar trabajo la carga eléctrica, en este caso para moverse cuando la soltemos dentro del campo eléctrico.

 El trabajo que realiza una fuerza eléctrica para desplazar una carga desde un punto A hasta otro B puede expresarse de la siguiente forma:

trabajo energia potencial electrica

 Si te fijas en la fórmula podríamos decir que el trabajo es igual al incremento de la energía potencial eléctrica. We, es el trabajo para desplazarse de A hasta B.
 

Potencial Electrico

 En electricidad, normalmente es mas conveniente usar la energía potencial eléctrica por unidad de carga, llamado expresamente potencial eléctrico. Es decir, la energía potencial, pero por cada unidad de carga, por cada coulomb. OJO La unidad de carga no es el electrón, es el coulomb.

 Esta nueva magnitud, el potencial eléctrico se mide en voltios y su fórmula sería:

 U = Ep/Q

 U = potencial eléctrico = julios/culombios = Voltios

 Ep = energía potencial en julios.

 Q = carga (cantidad de culombios de la carga) en culombios.

 Podríamos definir el potencial eléctrico en un punto de un campo eléctrico como la energía potencial eléctrica que posee la unidad de carga positiva situada en ese punto.

 Si en la fórmula de la energía potencial la carga que introducimos en el campo la ponemos el valor de 1C, tendremos la fórmula del potencial eléctrico:

 U = K x (q/r).  siendo q la carga que produce el campo.

 Esto es muy útil, pues si tenemos un campo eléctrico podríamos definir el potencial eléctrico en cualquier punto del campo sin necesidad de saber de que valor será la carga que luego coloquemos allí.

 Mira aquí definimos 3 puntos de potencial eléctrico en un campo: V1, V2 y V3.

potencial electrico

 ¿Por qué lo representamos con un círculo? Recuerda que la energía potencial eléctrica depende de la distancia, por lo tanto el potencial también, es la Ep por unidad de carga. Todos los puntos que se encuentren a la misma distancia de la carga central tendrán el mismo potencial eléctrico.

 Imagina que a la distancia del círculo V1, todos eso puntos del círculo tienen un potencial eléctrico de V1= 6V (voltios). Simplemente si quisiéramos saber cual sería la energía potencial de una carga, por ejemplo de 3C (culombios) si lo situamos en ese punto dentro del campo, solo tendríamos que multiplicar el potencial en ese punto por el valor de la carga que pongamos en ese punto, es decir en nuestro caso Ep = 6V x 3C = 18 Julios.

 Podríamos calcular los potenciales en todos los puntos del campo, bueno en unos cuantos puntos, y de esa forma cuando queramos introducir una carga dentro del campo, calcular su energía potencial eléctrica en un punto u otro, sería muy sencillo.

 d.d.p Tensión o Voltaje

 Otra magnitud muy usada en electricidad es la d.d.p. (diferencia de potencial) también llamada tensión o voltaje. La d.d.p. es simplemente la diferencia que habrá entre dos puntos con potenciales eléctricos diferentes. Imagina que un punto dentro de un campo eléctrico tiene un potencial eléctrico de 5V y en otro punto es de 3V, pues la d.d.p. o Tensión será de 5 - 3 = 2V.  OJO podría ser negativo 3 - 5 = -2V. Así de sencillo.

 Cuando en una pila medimos la tensión entre los dos bornes de la pila (negativo y positivo), lo que estamos es midiendo la d.d.p entre estos dos puntos. Lo mismo pasa en un enchufe.

 Quizás esta sea la magnitud más importante, por que gracias a ella, es decir si tenemos una d.d.p. entre dos puntos, podemos generar corriente eléctrica. Pero esto no es tema que tratemos aquí. Si quieres aprender esto te recomendamos el siguiente enlace: Magnitudes Electricas.

 Ejercicios de Energia Potencial Electrica Resueltos

 1º) Dos cargas q1 y q2 de -5mC y -3mC se encuentran separadas en el vacío una distancia de 50 cm. Posteriormente la distancia es de 1 m. Sabiendo que q1 está fija y q2 es móvil, calcular:
a) La energía potencial inicial y final de q2.
b) El trabajo realizado por la fuerza eléctrica que ejerce q1 sobre q2.

 Solución:

 Lo mejor es pasar primero todos los datos al sistema internacional:

 -5mC = -5 x 0,001C = -0,005C (pasamos los miliculombios a culombios)

 -3mC = -3 x 0,001= -0,003C

 r en un caso vale 1 m y en otro 50cm = 0,5m.

 Según el enunciado q1 es fija y q2 es la que se mueve de la posición inicial de 0,5 hasta la posición final de 1m. Lo que queremos es calcular la Ep de q2 cuando está en el campo de q1.

 Ep a 0,5cm  o en la posición inicial será:

 Epi= 9 x 10 9 x [( -0,005 x -0,003)/ 0,5] = 135.000 Julios

 Ep a 1m  o en la posición final será:

 Epf= 9 x 10 9 x [( -0,005 x -0,003)/ 1] = 270.000 Julios

 Para calcular el trabajo que ha realizado esta carga al pasar de una posición a otra solo hay que saber el incremento de la energía potencial que ha tenido.

 W = Epf - Epi = 270.000 - 135.000 = 135.000 Julios.

 2º) ¿Cuál es el potencial eléctrico creado por una carga puntual de -2 mC en un punto situado a 5 metros de ella en el vacío?

 Solución:

 Pasamos los miliculombios a culombios:

 -2mc = -0,02C

 Aplicando la fórmula  U = K x (q/r) tenemos:

 U = 9 x 10 9 x [(-0,02C/ 5m] = -3.600.000 V

 3º) Determinar el valor del potencial eléctrico creado por una carga puntual q1= 0,00000005 C en un punto ubicado a 10 cm = 0,01m. del mismo.

 Solución:

 La carga q1 es la que crea al campo, y queremos saber el potencial en un punto a 0,01 metros de la q1 dentro de su campo eléctrico. Solo tendremos que calcular la Ep en ese punto pero por unidad de carga, es decir suponiendo que introducimos en el campo a 0,01 metros una carga de 1C. Esta carga unitaria será la q2 de la fórmula.

 Ep = 9 x 10 9 x [( 0,00000005 x  1/ 0,01] = 4.500V



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