Potencial Eléctrico, Diferencias y Ejemplos.

El potencial eléctrico define la energía de una partícula cargada. Da lugar a un campo eléctrico y a una fuerza eléctrica, y es la base de muchos fenómenos eléctricos.

El término potencial eléctrico es denotado por el símbolo griego Φ. Es una cantidad escalar con un signo y una magnitud. Cualquier carga crea un potencial eléctrico en el espacio que la rodea. Es diferente del término "voltaje", aunque ambas cantidades físicas se miden en voltios.

Potencial Eléctrico, Diferencias y Ejemplos.

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Definición: El potencial eléctrico se define como la capacidad del cuerpo cargado para hacer el trabajo. Cuando el cuerpo está cargado, o bien se le suministran electrones eléctricos, o bien se le quitan.

En ambos casos, el trabajo está hecho. Este trabajo se almacena en el cuerpo en forma de potencial eléctrico. Así, el cuerpo puede hacer el trabajo ejerciendo una fuerza de atracción o repulsión sobre las otras partículas cargadas.

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La capacidad del cuerpo cargado para hacer el trabajo determina el potencial eléctrico en él. La medida del potencial eléctrico es el trabajo realizado para cargar un cuerpo a un culombio, es decir,

Unidades: Dado que el trabajo realizado se mide en julios y la carga en culombios, la unidad de potencial eléctrico es julios/culombios, la unidad de potencial eléctrico es julios/culombios o voltios.

Por lo tanto, se dice que un cuerpo tiene un potencial eléctrico de 1 voltio si se realiza un julio de trabajo para cargar el cuerpo en un culombio.

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Diferencia de potencial eléctrico

La diferencia de potencial eléctrico se define como la cantidad de trabajo realizado para llevar una unidad de carga de un punto a otro en un campo eléctrico. En otras palabras, la diferencia de potencial se define como la diferencia de potencial eléctrico de los dos cuerpos cargados.

Cuando un cuerpo se carga a un potencial eléctrico diferente en comparación con el otro cuerpo cargado, se dice que los dos cuerpos tienen una diferencia de potencial. Ambos cuerpos están bajo estrés y tensión e intentan alcanzar un potencial mínimo

Unidad: La unidad de diferencia de potencial es el voltio.

DIFERENCIA DE POTENCIAL Y ENERGÍA ELÉCTRICA POTENCIAL

La relación entre la diferencia de potencial (o voltaje) y la energía eléctrica potencial viene dada por

V=UqorU=qV.

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El voltaje no es lo mismo que la energía. El voltaje es la energía por unidad de carga. Por lo tanto, una batería de motocicleta y una batería de coche pueden tener el mismo voltaje (más precisamente, la misma diferencia de potencial entre los terminales de la batería), pero una almacena mucha más energía que la otra porque U=qV. La batería del automóvil puede mover más carga que la batería de la motocicleta, aunque ambas son baterías de 12 V.

EJEMPLO

Cálculo de la energía

Tienes una batería de motocicleta de 12.0 V que puede mover 5000 C de carga, y una batería de coche de 12.0 V que puede mover 60.000 C de carga. ¿Cuánta energía entrega cada una? (Supongamos que el valor numérico de cada carga es exacto a tres cifras significativas.)

Estrategia

Decir que tenemos una batería de 12,0 V significa que sus terminales tienen una diferencia de potencial de 12,0 V. Cuando una batería de este tipo mueve la carga, hace pasar la carga por una diferencia de potencial de 12,0 V, y a la carga se le da un cambio de energía potencial igual a U=qV. Para encontrar la salida de energía, multiplicamos la carga movida por la diferencia de potencial.

Solución

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Para la batería de la motocicleta, q=5000C y V=12.0V. La energía total suministrada por la batería de la motocicleta es

Ucycle=(5000C)(12.0V)=(5000C)(12.0J/C)=6.00×104J.

De manera similar, para la batería del coche, q=60.000C y

Ucar=(60,000C)(12.0V)=7.20×105J.

Significado

El voltaje y la energía están relacionados, pero no son la misma cosa. Los voltajes de las baterías son idénticos, pero la energía suministrada por cada una es bastante diferente. La batería de un coche tiene un motor mucho más grande para arrancar que una motocicleta. Observe también que a medida que una batería se descarga, parte de su energía se utiliza internamente y su voltaje terminal cae, como cuando los faros se atenúan debido a una batería de coche agotada. La energía suministrada por la batería se sigue calculando como en este ejemplo, pero no toda la energía está disponible para uso externo.

¿Cuánta energía tiene una batería AAA de 1,5 V que puede moverse 100 C?

Observe que las energías calculadas en el ejemplo anterior son valores absolutos. El cambio de energía potencial de la batería es negativo, ya que pierde energía. Estas baterías, como muchos sistemas eléctricos, en realidad mueven electrones de carga negativa en particular.

Las baterías repelen los electrones de sus terminales negativos (A) a través de cualquier circuito que esté involucrado y los atraen a sus terminales positivos (B), como se muestra en la figura 7.12. El cambio de potencial es V=VB-VA=+12V y la carga q es negativa, de modo que U=qV es negativa, lo que significa que la energía potencial de la batería ha disminuido cuando q se ha movido de A a B.

EJEMPLO

¿Cuántos electrones se mueven a través de un faro cada segundo?

Cuando una batería de coche de 12,0 V alimenta un solo faro de 30,0 W, ¿cuántos electrones pasan a través de él cada segundo?

Estrategia

Para encontrar el número de electrones, primero debemos encontrar la carga que se mueve en 1.00 s. La carga movida está relacionada con el voltaje y la energía a través de las ecuaciones U=qV. Una lámpara de 30,0 W utiliza 30,0 julios por segundo. Como la batería pierde energía, tenemos U=-30J y, como los electrones van del terminal negativo al positivo, vemos que V=+12.0V.

Solución

Para encontrar la carga q movida, resolvemos la ecuación U=qV:

q=UV.

Introduciendo los valores de U y V, obtenemos

q=−30.0J+12.0V=−30.0J+12.0J/C=−2.50C.

El número de electrones ne es la carga total dividida por la carga por electrón. Es decir,

ne=−2.50C−1.60×10−19C/e−=1.56×1019electrons.

Importancia

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Es un número muy grande. No es de extrañar que normalmente no observemos electrones individuales con tantos presentes en los sistemas ordinarios. De hecho, la electricidad ha estado en uso durante muchas décadas antes de que se determinara que las cargas en movimiento en muchas circunstancias eran negativas. La carga positiva que se mueve en la dirección opuesta a la carga negativa a menudo produce efectos idénticos; esto hace difícil determinar cuál se está moviendo o si ambas se están moviendo.