Potencial Eléctrico: Conceptos, Fórmulas y Aplicaciones

Potencial Eléctrico: Conceptos Clave

Introducción

Así como un cuerpo situado en un campo gravitatorio terrestre posee energía gravitatoria, una carga eléctrica situada en un campo eléctrico posee energía potencial eléctrica. Esta energía potencial se deriva del hecho de que la fuerza debida al campo eléctrico puede realizar un trabajo al mover una carga.

Definición de Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico (V) en un punto de un campo eléctrico se define como la razón entre la energía potencial eléctrica (U) de una carga positiva situada en ese punto y el valor de dicha carga (q). Para que exista el concepto de potencial eléctrico, se debe dar la siguiente secuencia:

1. Un campo eléctrico en una región del espacio en estudio.
2. Una carga (q) que se mueve gracias al trabajo que realiza el campo. Esta carga, de forma natural, siempre va a poseer energía potencial eléctrica (U).

Diferencia de Potencial Eléctrica

Más que el potencial en cada punto, lo que importa conocer es la diferencia de potencial entre dos puntos. Esto se debe a que se busca conocer el trabajo requerido para mover una carga eléctrica de un punto a otro. La diferencia de potencial se conoce comúnmente como voltaje o caída de tensión, y se simboliza como ΔV.

1. Cuando la carga se encuentra en el punto B, después de su recorrido, presenta un potencial eléctrico V_B y una energía potencial eléctrica que se calcula como: U_B = q * V_B.
2. Las líneas representan la región del espacio donde existe un campo eléctrico. Una carga Q viaja de A a B, tomando valores distintos para su energía y potencial en cada punto.
3. Al existir una fuerza (como se muestra en la figura) y una distancia recorrida por la carga, existe un trabajo realizado. Recordemos: W = F * d.
4. Si consideramos que la carga se mueve desde el punto A hasta el punto B siguiendo una trayectoria cualquiera (como indica la línea punteada de la figura), el campo eléctrico ejerce sobre la carga, en cada punto de la trayectoria, una fuerza F. Esta fuerza realiza un trabajo sobre la carga.
5. La carga experimenta una variación de energía potencial eléctrica.

Relación entre Campo Eléctrico (E) y Diferencia de Potencial (ΔV)

• Al movernos a lo largo de una línea de fuerza en la dirección del campo eléctrico, el potencial eléctrico disminuye.
• Las cargas negativas se mueven en sentido contrario al campo eléctrico.

Superficies Equipotenciales

Las superficies equipotenciales son superficies imaginarias que resultan de unir todos los puntos que tienen el mismo potencial eléctrico. Por lo tanto, la variación de potencial eléctrico entre dos puntos de la misma superficie equipotencial es cero (V_a = V_b, entonces V_a - V_b = 0).

Fórmulas

1. V = U / q
2. V = k * q / r
3. ΔV = W / q
4. E = ΔV / d
5. ΔV = V_a - V_b | ΔU = U_a - U_b
6. W = ΔU
7. W = F * d
8. F = q * E
9. V_t = V₁ + V₂ + ...

Datos y Constantes

• k = 9 x 10⁹ Nm²/C² o 1 Di*Cm²/STC²
• 1V = 1 J/C (Voltio, en honor a Alessandro Volta, creador de la pila)
• E (Campo eléctrico): N/C o V/m
• W (Trabajo): J, Erg, kgm
• R y d (Distancias): m, cm
• U (Energía): J, Erg
• V (Potencial): Volt, Statvolt
• 1 V = 1 J/C
• 1 STV = 1 Erg/STC
• 1 V ≈ 3.33 x 10^-3 STV
• 1 C = 3 x 10⁹ STC
• Pilas: 1.5 V
• Pilas especiales: 3 V
• Baterías: 9 V
• Baterías de vehículos: 12-24 V
• Red de tendido eléctrico (Chile): 220 V
• Red de tendido eléctrico (EE. UU.): 110 V
• Tubos de TV: 10³ V
• Encefalogramas: 10^-6 V

Prefijos Comunes