Potencial eléctrico: definición, unidades y fórmula (con ejemplos)

Para comprender la electricidad, debe comprender la fuerza eléctrica y lo que sucederá con las cargas en presencia de un campo eléctrico. ¿Qué fuerzas sentirá la carga? ¿Cómo se moverá como resultado? Un concepto relacionado es el potencial eléctrico, que se vuelve particularmente útil cuando se habla de baterías y circuitos.

Puede recordar que una masa colocada en un campo gravitacional tiene una cierta cantidad de energía potencial debido a su ubicación. (La energía potencial gravitacional esGMm / r, que se reduce amghcerca de la superficie de la Tierra.) De manera similar, una carga colocada en un campo eléctrico tendrá una cierta cantidad de energía potencial debido a su ubicación en el campo.

Laenergia potencial electricade un cargoqdebido al campo eléctrico producido por cargaQes dado por:

Dónderes la distancia entre las cargas y la constante de Coulomb k = 8,99 × 10⁹ Nuevo Méjico²/C².

Sin embargo, cuando se trabaja con electricidad, a menudo es más conveniente trabajar con una cantidad llamada

Dóndekes la misma constante de Coulomb.

La unidad SI de potencial eléctrico es el voltio (V), donde V = J / C (julios por culombio). Por esta razón, el potencial eléctrico a menudo se denomina "voltaje". Esta unidad lleva el nombre de Alessandro Volta, el inventor de la primera batería eléctrica.

Para determinar el potencial eléctrico en un punto del espacio resultante de una distribución de varias cargas, simplemente puede sumar los potenciales eléctricos de cada carga individual. Tenga en cuenta que el potencial eléctrico es una cantidad escalar, por lo que es una suma directa y no una suma vectorial. Sin embargo, a pesar de ser un escalar, el potencial eléctrico aún puede adquirir valores positivos y negativos.

Las diferencias de potencial eléctrico se pueden medir con un voltímetro conectando el voltímetro en paralelo con el artículo cuyo voltaje se está midiendo. (Nota: el potencial eléctrico y la diferencia de potencial no son lo mismo. El primero se refiere a una cantidad absoluta en un punto dado, y el segundo se refiere a la diferencia de potencial entre dos puntos).

• No confunda energía potencial eléctrica y potencial eléctrico. No son lo mismo, ¡aunque están estrechamente relacionados!Potencial eléctricoV​está relacionado conenergia potencial electricaEDUCACIÓN FÍSICA_elec​víaEDUCACIÓN FÍSICA_elec​ = ​qVpor un cargoq​.

Las superficies o líneas equipotenciales son regiones a lo largo de las cuales el potencial eléctrico es constante. Cuando se dibujan líneas equipotenciales para un campo eléctrico dado, crean una especie de mapa topográfico del espacio visto por partículas cargadas.

Y las líneas equipotenciales realmente funcionan de la misma manera que un mapa topográfico. Del mismo modo que puede imaginarse poder decir en qué dirección rodará una bola al observar esa topografía, puede saber en qué dirección se moverá una carga desde el mapa equipotencial.

Piense en las regiones de alto potencial como las cimas de las colinas y las regiones de bajo potencial como los valles. Al igual que una bola rodará cuesta abajo, una carga positiva se moverá de alto a bajo potencial. La dirección exacta de este movimiento, salvo cualquier otra fuerza, será siempre perpendicular a estas líneas equipotenciales.

​Potencial eléctrico y campo eléctrico:Si recuerda, las cargas positivas se mueven en la dirección de las líneas del campo eléctrico. Es fácil ver entonces que las líneas de campo eléctrico siempre se intersecarán perpendicularmente a las líneas equipotenciales.

Las líneas equipotenciales que rodean una carga puntual tendrán el siguiente aspecto:

Tenga en cuenta que están espaciados más cerca de la carga. Esto se debe a que el potencial disminuye más rápidamente allí. Si recuerda, las líneas de campo eléctrico asociadas para un punto de carga de punto positivo apuntan radialmente hacia afuera y, como se esperaba, intersecarían estas líneas perpendicularmente.

Aquí hay una descripción de las líneas equipotenciales de un dipolo.

•••hecho usando la aplicación: https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html

Tenga en cuenta que son antisimétricos: los que están cerca de la carga positiva son valores de alto potencial y los que están cerca de la carga negativa son valores de bajo potencial. Una carga positiva colocada en cualquier lugar cercano hará lo que esperas que haga una bola que rueda cuesta abajo: dirígete hacia el “valle” de bajo potencial. Sin embargo, las cargas negativas hacen lo contrario. ¡Ellos "ruedan cuesta arriba!"

Así como la energía potencial gravitacional se convierte en energía cinética para los objetos en caída libre, también es la energía potencial eléctrica convertida en energía cinética para cargas que se mueven libremente en un campo. Entonces, si la carga q atraviesa una brecha potencial V, entonces la magnitud de su cambio en energía potencialqVahora es energía cinética1/2 mv². (Tenga en cuenta que esto también es equivalente a la cantidad de trabajo realizado por la fuerza eléctrica para mover la carga esa misma distancia. Esto es consistente con el teorema de trabajo-energía cinética.)

Es probable que esté familiarizado con ver listados de voltaje en las baterías. Ésta es una indicación de la diferencia de potencial eléctrico entre los dos terminales de la batería. Cuando los dos terminales están conectados a través de un cable conductor, los electrones libres dentro del conductor serán inducidos a moverse.

Aunque los electrones se mueven de un potencial bajo a un potencial alto, la dirección del flujo de corriente se define canónicamente en la dirección opuesta. Esto se debe a que se definió como la dirección del flujo de carga positiva antes de que los físicos supieran que era el electrón, una partícula con carga negativa, el que en realidad se movía físicamente.

Sin embargo, dado que para la mayoría de los propósitos prácticos, la carga eléctrica positiva que se mueve en una dirección parece Al igual que la carga eléctrica negativa que se mueve en la dirección opuesta, la distinción se vuelve irrelevante.

Se crea un circuito eléctrico cada vez que un cable sale de una fuente de alimentación, como una batería, a alto potencial y luego se conecta a diferentes los elementos del circuito (posiblemente ramificándose en el proceso) luego se vuelven a unir y se conectan nuevamente al terminal de bajo potencial de la energía fuente.

Cuando se conecta como tal, la corriente se mueve a través del circuito, entregando energía eléctrica a los diversos elementos del circuito, que a su vez convierten esa energía en calor o luz o movimiento, dependiendo de su función.

Un circuito eléctrico puede considerarse análogo a las tuberías con agua corriente. La batería levanta un extremo de la tubería para que el agua fluya cuesta abajo. Al pie de la colina, la batería vuelve a subir el agua hasta el principio.

El voltaje es análogo a qué tan alto se eleva el agua antes de ser liberada. La corriente es análoga al flujo de agua. Y si se colocaran varias obstrucciones (una rueda de agua, por ejemplo) en el camino, ralentizaría el flujo del agua ya que la energía se transfirió al igual que los elementos del circuito.

La dirección del flujo de corriente positiva se define como la dirección en la que fluiría una carga libre positiva en presencia del potencial aplicado. Esta convención se hizo antes de que supiera qué cargas se movían realmente en un circuito.

Ahora sabe que, aunque defina que la corriente está en la dirección del flujo de carga positiva, en realidad, los electrones fluyen en la dirección opuesta. Pero, ¿cómo puede saber la diferencia entre cargas positivas que se mueven hacia la derecha y cargas negativas que se mueven hacia la izquierda cuando la corriente es la misma en ambos sentidos?

Resulta que las cargas en movimiento experimentan una fuerza en presencia de un campo magnético externo.

Para un conductor dado en presencia de un campo magnético dado, las cargas positivas que se mueven hacia la derecha terminan sintiendo un aumento fuerza, y por lo tanto se acumularía en el extremo superior del conductor, creando una caída de voltaje entre el extremo superior y el extremo inferior.

Los electrones que se mueven hacia la izquierda en ese mismo campo magnético terminan sintiendo también una fuerza hacia arriba, por lo que la carga negativa se acumularía en el extremo superior del conductor. Este efecto se llamaefecto Hall. Midiendo si elVoltaje de pasilloes positivo o negativo, ¡puedes saber qué partículas son las verdaderas portadoras de carga!

​Ejemplo 1:Una esfera tiene una superficie cargada uniformemente con 0,75 C. ¿A qué distancia de su centro está el potencial de 8 MV (megavoltios)?

Para resolverlo, puede usar la ecuación para el potencial eléctrico de una carga puntual y resolverlo para la distancia, r:

Insertar números le da el resultado final:

¡Eso es un voltaje bastante alto incluso a casi un kilómetro de la fuente!

​Ejemplo 2:Un rociador de pintura electrostático tiene una esfera de metal de 0,2 m de diámetro a un potencial de 25 kV (kilovoltios) que repele las gotas de pintura sobre un objeto conectado a tierra. (a) ¿Qué carga tiene la esfera? (b) ¿Qué carga debe tener una gota de pintura de 0.1 mg para llegar al objeto con una rapidez de 10 m / s?

Para resolver el inciso a), reorganice su ecuación de potencial eléctrico para resolver Q:

Y luego ingrese sus números, teniendo en cuenta que el radio es la mitad del diámetro:

Para la parte (b), usa la conservación de energía. La energía potencial perdida se convierte en energía cinética ganada. Al igualar las dos expresiones de energía y resolver paraq, usted obtiene:

Y nuevamente, ingresa sus valores para obtener la respuesta final:

​Ejemplo 3:En un experimento clásico de física nuclear, una partícula alfa se aceleró hacia un núcleo de oro. Si la energía de la partícula alfa fuera de 5 MeV (megaelectronvoltios), ¿qué tan cerca del núcleo de oro podría llegar antes de ser desviado? (Una partícula alfa tiene una carga de +2mi, y un núcleo de oro tiene una carga de +79midonde la carga fundamentalmi​ = 1.602 × 10^-19 C.)

• ​¡Un electrón voltio (eV) NO es una unidad de potencial!Es una unidad de energía equivalente al trabajo realizado al acelerar un electrón a través de una diferencia de potencial de 1 voltio. 1 electrón voltio =mi× 1 voltio, dondemies la carga fundamental.

Para resolver esta pregunta, utilice la relación entre la energía potencial eléctrica y el potencial eléctrico para resolver primero r:

A continuación, comienza a introducir valores, teniendo mucho cuidado con las unidades.

Ahora, usa el hecho de que 1 electrón voltio =mi× 1 voltio para simplificar aún más, y conecte el número restante para obtener la respuesta final:

A modo de comparación, el diámetro de un núcleo de oro es de aproximadamente 1,4 × 10^-14 metro.