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Potencial de electricidad - Potencial Electrico, Intensidad de la Corriente, Campo Electrico, Fuerza Electromotriz
Potencial Electrico
El potencial eléctrico en un punto es
el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga
positiva q desde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad
de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que
debe realizar una fuerza externa para traer una carga
unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra
de la fuerza eléctrica. Matematicamente se expresa por
Considérese una carga puntual de prueba positiva, la cual se puede
utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para
tal carga de prueba localizada a una
distancia r de una carga q, la energía potencial electrostatica
mutua es:
De manera equivalente, el potencial eléctrico es = .
Intensidad de la Corriente
La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de
carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se
debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en
C·s-1 (culombios sobre segundo), unidad que se
denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se
trata de un movimiento de cargas, produce
un campo magnético, lo que se aprovecha en
el electroiman.
El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica
es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se
llama amperímetro, colocado en serie con el conductor
cuyaintensidad se desea medir.
Diferencia de Potencial Electrico
Considérese una carga de prueba positiva en
presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el
punto A al punto B conservandose siempre en
equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga,
la diferencia de potencial eléctrico se define como
El trabajo puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el
potencial eléctrico en B sera respectivamente mayor,
menor o igual que el potencial eléctrico en A. La unidad en el SI
para la diferencia de potencial que se deduce de la ecuación anterior
es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad,
el voltio, esto es: 1 voltio = 1 joule/coulomb. Un electronvoltio (eV) es la energía adquirida para un
electrón al moverse a través de una diferencia de potencial de 1
V, 1 eV = 1,6x10-19 J. Algunas veces se necesitan
unidades mayores de energía, y se usan los kiloelectronvoltios (keV),
megaelectronvoltios (MeV) y los gigaelectronvoltios (GeV). (1 keV=103 eV,
1 MeV = 106 eV, y 1 GeV = 109 eV).
Aplicando esta definición a la teoría de circuitos y desde un punto de vista mas intuitivo, se puede decir que
el potencial eléctrico en un punto de un circuito representa la
energía que posee cada unidad de carga al paso por dicho punto.
Así, si dicha unidad de carga recorre un circuito constituyendóse
en corriente eléctrica,ésta ira
perdiendo su energía (potencial o voltaje) a medida que atraviesa los
diferentes componentes del
mismo. Obviamente, la energía perdida por cada unidad de carga se
manifestara como
trabajo realizado en dicho circuito (calentamiento en una resistencia, luz en una lampara,
movimiento en un motor, etc.). Por el contrario, esta energía perdida se
recupera al paso por fuentes generadoras de
tensión. Es conveniente distinguir entre potencial eléctrico en un punto (energía por unidad de carga situada en ese
punto) y corriente eléctrica (número de cargas que atraviesan
dicho punto por segundo).
Usualmente se escoge el punto A a una gran distancia (en rigor el
infinito) de toda carga y el potencial eléctrico a
esta distancia infinita recibe arbitrariamente el valor cero. Esto permite
definir el potencial eléctrico en un punto poniendo y eliminando los índices:
siendo el trabajo que debe hacer un agente exterior para mover la
carga de prueba desde el infinito al punto en cuestión.
Obsérvese que la igualdad planteada depende de que se
da arbitrariamente el valor cero al potencial en
la posición de referencia (el infinito) el cual hubiera podido escogerse
de cualquier otro valor así como
también se hubiera podido seleccionar cualquier otro punto de
referencia.
También es de hacer notar que según la expresión que
define el potencial eléctrico en un punto,
elpotencial en un punto cercano a una carga positiva aislada es positivo porque
debe hacerse trabajo positivo mediante un agente exterior para llevar al punto
una carga de prueba (positiva) desde el infinito. Similarmente, el potencial
cerca de una carga negativa aislada es negativo porque un
agente exterior debe ejercer una fuerza (trabajo negativo en este caso) para
sostener a la carga de prueba (positiva) cuando esta (la carga positiva) viene
desde el infinito.
Por último, el potencial eléctrico queda definido como un escalar porque y son escalares.
Tanto como son
independientes de la trayectoria que se siga al mover la carga de prueba
desde el punto A hasta el punto B. Si no fuera así, el
punto B no tendría un potencial eléctrico único
con respecto al punto A y el concepto de potencial sería de
utilidad restringida.
Es posible demostrar que las diferencias de potencial son
independientes de la trayectoria para el caso especial representado en la
figura. Para mayor simplicidad se han escogido los puntos A y B en una
recta radial.
Una carga de prueba puede trasladarse
desde A hacia B siguiendo la trayectoria I sobre una recta
radial o la trayectoria II completamente arbitraria.
La trayectoria II puede considerarse equivalente a una trayectoria quebrada
formada por secciones de arco y secciones radiales alternadas. Puesto que estas
secciones se pueden hacertan pequeñas como se desee, la trayectoria quebrada puede
aproximarse a la trayectoria II tanto como
se quiera. En la trayectoria II el agente externo hace trabajo solamente a
lo largo de las secciones radiales, porque a lo largo de los arcos, la fuerza y el corrimiento son perpendiculares
y en tales casos es nulo. La suma del trabajo hecho en los segmentos radiales que
constituyen la trayectoria II es el mismo que el trabajo efectuado en la
trayectoria I, porque cada trayectoria esta compuesta del mismo conjunto de segmentos radiales.
Como la trayectoria II es arbitraria, se ha demostrado que el trabajo realizado
es el mismo para todas las trayectorias que unen A con B.
Aun cuando esta prueba sólo es valida para el caso especial
ilustrado en la figura, la diferencia de potencial es independiente de la
trayectoria para dos puntos cualesquiera en cualquier campo eléctrico. Se desprende de ello el caracter conservativo de la
interacción electrostatica el cual esta asociado a la
naturaleza central de las fuerzas electrostaticas.
Para un par de placas paralelas en las cuales
se cumple que , donde d es la distancia entre las
placas paralelas y E es el campo eléctrico constante en la región
entre las placas.
Campo Electrico
El campo eléctrico es un campo físico que es
representado mediante un modelo que describe la interacción
entre cuerpos y sistemas conpropiedades de
naturaleza eléctrica.1 Matematicamente se describe como
un campo vectorial en el cual una carga
eléctrica puntual de valor qsufre los efectos de una fuerza eléctrica dada
por la siguiente ecuación:
(1)
En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora,
junto con el campo magnético, en campo
tensorial cuadridimensional, denominado campo
electromagnético Fμν.2
Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas
eléctricas como en campos magnéticos variables.
Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como
la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas
eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faradayy los
estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer
las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la
variación del campo magnético.
Esta definición general indica que el campo no es
directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre
alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue
propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción
electromagnética en el año 1832.
La unidad del campo
eléctrico en el SI es Newton por culombio (N/C), voltio por
metro (V/m) o, en unidades basicas, kg·m·s−3·A−1.
Fuerza Electromotriz
La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener
una diferencia de potencial entre dos puntos deun circuito abierto o
de producir una corriente eléctrica en un
circuito cerrado. Se define como
el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad
de carga positiva del
polo negativo al positivo, dividido por el valor en Culombios de dicha carga.
Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el
circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es
necesario realizar un trabajo o consumo de energía, para
transportarla por el interior desde un punto de menor potencial,a otro de mayor potencial
La FEM se mide en voltios, al igual que el potencial
eléctrico.
Por lo que queda que:
Se relaciona con la diferencia de potencial entre los bornes y la
resistencia interna del generador mediante la
fórmula (el producto es la caída de
potencial que se produce en el interior del generador a causa de la resistencia
óhmica que ofrece al paso de la corriente). La FEM de un
generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto.
La fuerza electromotriz de inducción (o inducida) en un circuito cerrado
es igual a la variación del flujo de
inducción del campo magnético que lo atraviesa
en la unidad de tiempo, lo que se expresa por la fórmula (Ley
de Faraday). El signo - (Ley de Lenz) indica que el sentido de la FEM inducida
es tal que se opone al descrito por la ley de Faraday ().
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