Que es potencial y diferencia de potencial entre dos puntos

El concepto de potencial eléctrico es uno de los fundamentos importantes de la teoría de la electrostática y la electrodinámica. Comprender su esencia es una condición necesaria para profundizar en el estudio de estas ramas de la física.

¿Qué es el potencial eléctrico?

Suponga que se coloca una unidad de carga q en el campo creado por una carga fija Q, que se ve afectada por fuerza de culombio F=k*Qq/r.

Aquí y abajo k=((1/4)*π* ε* ε), donde ε_{0 —} constante eléctrica (8.85*10^-12 F/m), mientras que ε es constante dielectrica media.

contribuido cobrar bajo la acción de esta fuerza, puede moverse y la fuerza realizará una cierta cantidad de trabajo. Esto quiere decir que un sistema de dos cargas tiene una energía potencial que depende de la magnitud de ambas cargas y de la distancia entre ellas, y la magnitud de esta energía potencial no depende de la magnitud de la carga q. Aquí se introduce la definición de potencial eléctrico: es igual a la relación entre la energía potencial del campo y la magnitud de la carga:

φ=W/q,

donde W es la energía potencial del campo creado por el sistema de cargas, y el potencial es la energía característica del campo. Para mover una carga q en un campo eléctrico durante cierta distancia, es necesario gastar una cierta cantidad de trabajo para vencer las fuerzas de Coulomb. El potencial de un punto es igual al trabajo que debe realizarse para mover una unidad de carga desde ese punto hasta el infinito. Al hacerlo, cabe señalar que:

• este trabajo será igual a la disminución de la energía potencial de la carga (A=W₂-W₁);
• el trabajo no depende de la trayectoria de la carga.

En el sistema SI, la unidad de potencial es un voltio (en la literatura rusa se indica con la letra V, en la literatura extranjera - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, es decir, podemos hablar del potencial de un punto de 1 voltio, si se necesita 1 Joule para mover una carga de 1 C hasta el infinito. El nombre fue elegido en honor al físico italiano Alessandro Volta, quien hizo una contribución significativa al desarrollo de la ingeniería eléctrica.

Para visualizar qué es un potencial, se puede comparar con la temperatura de dos cuerpos o con la temperatura medida en diferentes puntos del espacio. La temperatura es una medida del calentamiento de los objetos, y el potencial es una medida de la carga eléctrica. Se dice que un cuerpo se calienta más que otro, también se puede decir que un cuerpo se carga más y el otro menos. Estos cuerpos tienen diferente potencial.

El valor del potencial depende de la elección del sistema de coordenadas, por lo que se requiere algún nivel, que debe tomarse como cero. Al medir la temperatura, por ejemplo, la temperatura de fusión del hielo se puede tomar como referencia.Para el potencial, el potencial de un punto infinitamente distante generalmente se toma como el nivel cero, pero para resolver algunos problemas, por ejemplo, el potencial de tierra o el potencial de una de las placas del condensador se puede considerar como cero.

Propiedades potenciales

Entre las propiedades importantes del potencial, cabe señalar las siguientes:

• si el campo es creado por varias cargas, entonces el potencial en un punto particular será igual a la suma algebraica (teniendo en cuenta el signo de la carga) de los potenciales creados por cada una de las cargas φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_norte;
• si las distancias a las cargas son tales que las propias cargas pueden considerarse cargas puntuales, entonces el potencial total se calcula mediante la fórmula φ=k*(q₁/r₁+ q₂/r₂+ q₃/r₃+…+q_norte/r_norte), donde r es la distancia de la carga correspondiente al punto considerado.

Si el campo está formado por un dipolo eléctrico (dos cargas conectadas de signo opuesto), entonces el potencial en cualquier punto ubicado a una distancia r del dipolo será igual a φ=k*p*cosά/r², dónde:

• p es el brazo eléctrico del dipolo, igual a q*l, donde l es la distancia entre las cargas;
• r es la distancia al dipolo;
• ά es el ángulo entre el brazo del dipolo y el radio vector r.

Si el punto se encuentra en el eje del dipolo, entonces cosά=1 y φ=k*p/r².

Diferencia de potencial

Si dos puntos tienen un cierto potencial, y si no son iguales, entonces se dice que hay una diferencia de potencial entre los dos puntos. La diferencia de potencial se produce entre los puntos:

• cuyo potencial está determinado por cargas de distinto signo;
• un punto con potencial a partir de una carga de cualquier signo y un punto con potencial cero;
• puntos que tienen el potencial del mismo signo, pero difieren en valor absoluto.

Es decir, la diferencia de potencial no depende de la elección del sistema de coordenadas.Se puede hacer una analogía con charcos de agua ubicados a diferentes alturas en relación con la marca cero (por ejemplo, el nivel del mar).

El agua de cada piscina tiene cierta energía potencial, pero si conecta dos piscinas con un tubo, en cada una de ellas habrá un flujo de agua, cuyo caudal está determinado no solo por el tamaño del tubo , sino también por la diferencia de energías potenciales en el campo gravitatorio de la Tierra (es decir, la diferencia de altura). El valor absoluto de las energías potenciales no importa en este caso.

De la misma manera, si conecta dos puntos con diferente potencial con un conductor, fluirá electricidad, determinado no solo por la resistencia del conductor, sino también por la diferencia de potencial (pero no por su valor absoluto). Continuando con la analogía con el agua, podemos decir que el agua en la piscina superior pronto se agotará, y si no hay una fuerza que mueva el agua hacia arriba (por ejemplo, una bomba), entonces el flujo se detendrá muy rápidamente.

Así es en un circuito eléctrico: para mantener una diferencia de potencial en un cierto nivel, se requiere una fuerza que transfiera cargas (más precisamente, portadores de carga) a un punto con el potencial más alto. Esta fuerza se llama fuerza electromotriz y se abrevia como EMF. Los campos electromagnéticos pueden ser de diferente naturaleza: electroquímicos, electromagnéticos, etc.

En la práctica, lo que importa es principalmente la diferencia de potencial entre los puntos inicial y final de la trayectoria de los portadores de carga. En este caso, esta diferencia se llama voltaje, y en el SI también se mide en voltios.Podemos hablar de un voltaje de 1 Volt si el campo realiza un trabajo de 1 Joule al mover una carga de 1 Coulomb de un punto a otro, es decir, 1V \u003d 1J/1C, y J/C también puede ser una unidad de diferencia de potencial.

Superficies equipotenciales

Si el potencial de varios puntos es el mismo, y estos puntos forman una superficie, entonces dicha superficie se llama equipotencial. Tal propiedad tiene, por ejemplo, una esfera circunscrita alrededor de una carga eléctrica, porque el campo eléctrico disminuye con la distancia por igual en todas las direcciones.

Todos los puntos de esta superficie tienen la misma energía potencial, por lo que al mover una carga sobre dicha esfera, no se gastará trabajo. Las superficies equipotenciales de sistemas de varias cargas tienen una forma más compleja, pero tienen una propiedad interesante: nunca se cruzan. Las líneas de fuerza del campo eléctrico son siempre perpendiculares a superficies con el mismo potencial en cada uno de sus puntos. Si la superficie equipotencial es cortada por un plano, se obtendrá una línea de iguales potenciales. Tiene las mismas propiedades que una superficie equipotencial. En la práctica, por ejemplo, los puntos de la superficie de un conductor colocado en un campo electrostático tienen el mismo potencial.

Habiendo tratado el concepto de potencial y diferencia de potencial, puede continuar con el estudio adicional de los fenómenos eléctricos. Pero no antes, porque sin comprender los principios y conceptos básicos, no será posible profundizar en el conocimiento.

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