Potencial Eléctrico y Campos Electrostáticos: Conceptos Fundamentales

Potencial Eléctrico

Las fuerzas eléctricas son conservativas y llevan asociada una energía potencial eléctrica. En consecuencia, el vector intensidad de campo eléctrico lleva asociada una magnitud escalar denominada potencial eléctrico (V).

El potencial eléctrico en un punto es la energía potencial electrostática que adquiere la unidad de carga positiva colocada en ese punto. Su expresión es: V = Ep/q.

El potencial eléctrico en un punto A es el trabajo que hay que realizar para trasladar la unidad de carga positiva desde fuera del campo (o desde el infinito) hasta dicho punto.

Para una carga puntual Q, el potencial a una distancia r se define como: V = kQ/r. Esto se debe a que el potencial eléctrico se considera nulo a distancia infinita de las cargas que crean el campo.

La unidad de potencial en el Sistema Internacional (S.I.) es el voltio (V). Se define como: 1 V = 1 J/C.

El potencial eléctrico puede ser positivo o negativo, dependiendo de la carga Q que crea el campo. Una carga positiva crea un potencial positivo, y una carga negativa crea un potencial negativo.

Potencial Creado por un Sistema de Cargas Puntuales

El potencial creado por una carga puntual q en un punto situado a una distancia r se expresa como: V = kq/r.

El potencial total debido a un sistema de dos o más cargas puntuales se obtiene aplicando el principio de superposición. Es decir, es la suma algebraica de los potenciales individuales creados por cada una de las cargas puntuales:

Vtotal = V1 + V2 + V3 + …

Diferencia de Potencial entre Dos Puntos

Se denomina diferencia de potencial eléctrico (ΔV) entre dos puntos (A y B) de un campo eléctrico al trabajo realizado por el campo para trasladar la unidad de carga positiva desde el punto A hasta el punto B. Se expresa como: ΔV = VB - VA = WA→B / q.

Para una carga puntual Q, la diferencia de potencial entre dos puntos A y B a distancias rA y rB respectivamente, es:

VB - VA = kQ (1/rB - 1/rA)

Diferencia de Potencial y Movimiento de Cargas

Cuando existe una diferencia de potencial entre dos puntos, implica la existencia de un campo eléctrico entre ellos. Este campo está dirigido desde el punto de mayor potencial hacia el de menor potencial.

Esta diferencia de potencial influye en el movimiento de cargas libres entre dichos puntos.

Si la única fuerza que actúa sobre una partícula cargada es la fuerza eléctrica, la energía mecánica total (E) del sistema se conserva. Esto se expresa como: E = constante.

En términos de cambios de energía, tenemos:

• ΔEc + ΔEp = 0
• ΔEc = -ΔEp
• ΔEc = -qΔV

Líneas de Fuerza y Superficies Equipotenciales

Líneas de Fuerza

Una línea de fuerza de un campo eléctrico (o simplemente una línea de campo eléctrico) es una línea imaginaria tal que la recta tangente a ella en cada punto tiene la misma dirección que el campo eléctrico en ese punto.

Las líneas de fuerza son una representación visual del campo eléctrico. Una mayor concentración de líneas en una región indica que el campo eléctrico es más intenso en esa zona.

Las líneas de fuerza nacen en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas (o en el infinito). Se les asigna una orientación (indicada por flechas) que representa la dirección del campo vectorial en cada punto. Así, las líneas de fuerza muestran la dirección y el sentido del campo eléctrico.

Dos líneas de fuerza nunca pueden cruzarse, ya que el campo eléctrico no puede tener dos direcciones diferentes en un mismo punto.

Superficies Equipotenciales

Una superficie equipotencial es el conjunto de puntos en el espacio donde el potencial eléctrico es constante. Son un recurso geométrico útil para visualizar un campo eléctrico.

Características:

• Por cada punto del espacio solo puede pasar una única superficie equipotencial, ya que el potencial eléctrico es único en cada punto.
• En cada punto de una superficie equipotencial, el campo eléctrico es perpendicular a dicha superficie y está dirigido hacia los valores decrecientes del potencial.
• Una carga positiva se mueve espontáneamente hacia los potenciales más bajos (disminuyendo su energía potencial).
• Una carga negativa se mueve espontáneamente hacia los potenciales más altos (disminuyendo también su energía potencial).
• En ambos casos, el movimiento espontáneo ocurre de forma que la energía potencial de la carga disminuye.