Potencial Eléctrico

• Energía potencial eléctrica 

Una manera más sencilla de entender el concepto de energía potencial eléctrica es comparándola con la energía potencial gravitacional.

Energía potencial gravitacional

1. Se tiene una masa m que se quiere elevar del nivel A al B.
   
2. Para ello, se le debe aplicar una fuerza externa F igual al peso mg para mover la masa en contra de la gravedad.
   
3. Cuando la masa alcanza el nivel B, el sistema tiene energía potencial (EP) que es igual al trabajo realizado en contra de la gravedad.
   
4. Cuando se suelta la masa, la EP se transformara totalmente en energía cinética (EC) al ir cayendo hacia el nivel A.

 Energía potencial eléctrica

1. Se tiene una carga positiva +q en reposo en el punto A, dentro de E (campo eléctrico uniforme) constituido entre 2 láminas de carga opuesta.
   
2. Una fuera qE actúa hacia abajo sobre la carga.
   
3. El trabajo realizado en contra del campo eléctrico para mover la carga desde A hasta B es igual al producto de la fuerza por la distancia.
   
4. Cuando la carga se libera, el campo eléctrico desarrollara la cantidad de trabajo de la EP y la carga q tendrá una energía cinética.

Las fórmulas anteriores son válidas independientemente de la trayectoria que siga la carga al moverse, el trabajo será el mismo. Por lo tanto la energía potencial entre dos puntos separados está dada por:

Una diferencia importante entre estas dos energías es que en el caso de la gravedad, solo hay un tipo de masa, y las fuerzas implicadas son siempre fuerzas de atracción. Pero esto no se cumple en el caso de la energía eléctrica, debido a la existencia de carga negativa. 
 

Siempre que una carga positiva se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial aumenta.  Siempre que una carga negativa se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial disminuye.

• Trabajo eléctrico

Si se considera el espacio entre dos placas con carga opuesta, la fuerza eléctrica que experimenta una carga es constante mientras permanezca en las placas, ya que el campo eléctrico es uniforme.

El campo eléctrico de una carga Q, se dirige en forma radial hacia afuera, y su intensidad disminuye inversamente con el cuadrado de la distancia que hay desde el centro de la carga. Se toma como infinito a puntos que estén más allá del punto de interacción eléctrica y muy alejados del mismo.

La fuerza eléctrica promedio ejercida por una carga +q cuando se mueve del punto A al punto B es:

Por lo tanto, el trabajo realizado contra un campo eléctrico al mover la carga -q a lo largo de la distancia r_A - r_B es:

El trabajo es una función de las distancias r_A y r_B. La trayectoria seguida no tiene importancia.
Ahora si se quiere calcular el trabajo realizado contra las fuerzas eléctricas al mover una carga positiva desde el infinito hasta un punto a una distancia r de la carga Q, se utiliza la siguiente ecuación:

Como a menudo se considera que la energía potencial en el infinito es cero, la energía potencial de un sistema compuesto por una carga q y otra carga Q separadas por una distancia r, se calcula con la siguiente fórmula:

La energía potencial del sistema es igual al trabajo realizado contra las fuerzas eléctricas para llevar la carga +q desde el infinito hasta ese punto.

• Diferencia de potencial

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es una magnitud física que se define como la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, provocando que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. 
También se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.

A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.

La diferencia de potencial entre dos puntos es el trabajo (joules) por unidad de carga (coulomb) positiva que realizan fuerzas eléctricas para mover una pequeña carga de prueba desde el punto de mayor potencial, al punto de menor potencial.

 
Según el Sistema Internacional de Unidades, la unidad para medir la diferencia de potencial es el volt (V). Y el aparato para medir la diferencia de potencial es el voltímetro.

Ejemplo

Si el potencial en cierto punto A es de 100V y el potencial en otro punto B es de 40V. ¿Cúal es la diferencia de potencial?

Va - Vb = 100V - 40V = 60V

Esto quiere decir que los 60J de trabajo serán realizados por el campo sobre cada coulomb de carga positiva uqe se desplaza desde A hasta B. Por lo tanto se puede determinar con la siguiente formula que el trabajo realizado por un campo eléctrico, o trabajo eléctrico, para mover una carga q del punto A al B:

La diferencia de potencial entre dos placas con carga opuesta es igual al producto de la intensidad de campo por la separación de las placas.

• Volt

O también llamado "voltio", es la unidad (derivada del SI) de medición de la diferencia de potencial eléctrico, tensión eléctrica o voltaje. Recibe su nombre en honor de Alessandro Volta.

Es la diferencia de potencial entre dos puntos en un conductor que transporta una corriente de 1 amperio, cuando la potencia disipada entre los puntos es de 1 watt.

El voltio también puede ser definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 joule para trasladar del uno al otro la carga de 1 coulomb:

El instrumento de medición para medir voltaje es el voltímetro.

• El electrón volt

Cuando se tiene energía de una partícula cargada que se mueve a través de una diferencia de potencial, existen varias unidades para expresar esta medida de energía, pero la mayoría de éstas son inadecuadas porque son demasiado grandes. Por ejemplo, una carga de 1C acelerada a través de una diferencia de potencial de 1V. Su energía cinética será:

EC = qEd = qV

EC = (1C)(1V) = 1C * V

El coulomb-volt es equivalente a un joule. Pero 1C es demasiado grande cuando se aplica a partículas individuales, así como también lo es la unidad correspondiente de energía J (joule). Por eso la unidad de energía más conveniente en física atómica y nuclear es el electrón volt (eV).

El electrón volt es una unidad de energía equivalente a la energía adquirida por un electrón que es acelerado a través de una diferencia de potencial de 1 volt.

 
Éste difiere del coulomb-volt en el mismo grado que la diferencia en la carga de un electrón y la carga de 1C. Para comparar las dos unidades supongamos que calculamos la energía en joules adquirida por un electrón que ha sido acelerado a través de una diferencia de potencial de 1V:

EC = qV

EC = (1.6 X 10^-19 C)(1V)

EC = 1.6 X 10^-19 J

Por lo tanto, 1 eV equivale a la energía de 1.6 X 10^-19 J.