Transcripción
Hasta ahora, hemos estudiado los conceptos de carga eléctrica y campos eléctricos. Estos conceptos son los que explican y dan paso a un fenómeno con el que seguramente estamos más familiarizados: la corriente eléctrica. Sin duda hemos escuchado la unidad “voltaje”. Pero, ¿qué es realmente el voltaje?
Imaginemos una partícula con carga eléctrica positiva q que se encuentra dentro de un campo eléctrico (Figura 9.16). La partícula experimentará una fuerza que actúa sobre ella, acelerándola y moviéndola del punto A al punto B. Esto es similar a lo que sucede cuando un objeto cae a tierra por el campo gravitacional.
Figura 9.16: Carga eléctrica acelerada por un campo eléctrico
La partícula cargada estaba en reposo inicialmente, por lo que su energía potencial fue convertida en energía cinética. La energía potencial es aquella que posee un cuerpo debido a su posición dentro de un campo. La energía cinética es aquella que un cuerpo posee debido a su movimiento. Por lo tanto, la energía potencial de la partícula con carga disminuirá progresivamente, a medida que se convierte en energía cinética.
Nótese que una fuerza, causada en este caso por la acción del campo eléctrico sobre la carga eléctrica, está haciendo que un objeto se desplace una distancia específica. Por lo tanto, se está realizando trabajo.
El trabajo realizado es equivalente al negativo del cambio en la energía potencial (Figura 9.17). Por ejemplo, el trabajo realizado para acelerar la partícula cargada desde su posición de reposo es positivo y corresponde a una pérdida de energía potencial, es decir, un valor negativo de energía potencial.
Figura 9.17: Relación entre Trabajo y Energía Cinética en el campo
Utilizamos la nomenclatura para representar la diferencia entre la energía potencial inicial de la partícula y su energía potencial final.
Para calcular el trabajo, se utiliza la siguiente fórmula (Figura 9.18).
Figura 9.18: Fórmula del Trabajo
Nótese que esta fórmula implica utilizar el ángulo del desplazamiento de la partícula con carga. Esto, como podemos imaginar, es sumamente complicado de determinar en la vida real. Por consiguiente, es raro calcular el trabajo con esta fórmula. En su lugar, se utiliza la unidad que analizaremos a continuación.
Definimos el Potencial Eléctrico V como la energía potencial en una cantidad de carga específica (Figura 9.19).
Figura 9.19: Fórmula del Potencial Eléctrico
Por lo general, nos interesa la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, por lo que definimos el cambio de potencial eléctrico entre los puntos A y B como el cambio de energía potencial de una carga q que se mueve del punto A al punto B, dividido entre la carga q (Figura 9.20).
Figura 9.20: Fórmula para la Diferencia de Potencial
Nótese que la diferencia de energía potencial se expresa en Joules, mientras que la carga se expresa en Coulombs. Así obtenemos la unidad voltios. Un voltio equivale al cambio de un joule experimentado por una carga de un Coulomb al moverse del punto A al punto B (Figura 9.21).
Figura 9.21: La Unidad Voltio
Se utiliza el término voltaje para referirse a la diferencia de potencial eléctrico. Es importante recalcar que siempre que se hable de voltaje, se implica una diferencia de energía potencial entre dos puntos, por ejemplo los dos terminales de una batería (Figura 9.22).
Figura 9.22: Terminales de una batería
No obstante, también podemos referirnos a la energía potencial de una sola carga eléctrica, como por ejemplo un electrón. Esta magnitud es llamada potencial eléctrico y no voltaje, ni diferencia de potencial. Para calcular el potencial eléctrico de una carga puntual, utilizamos la siguiente fórmula (Figura 9.23). r es la distancia entre la carga puntual y la carga que general el campo eléctrico dentro del cual se encuentra la carga puntual. Q es la magnitud de dicha carga.
Figura 9.23: Fórmula del Potencial Eléctrico
