Qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas

Descubre qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas y cómo permite la carga de un material conductor. En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas. Se hace evidente por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, a través de campos electromagnéticos.

La materia está compuesta por átomos, y es eléctricamente neutra. Es decir, no está cargada a menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica positiva (protones).

Sin embargo, la materia puede cargarse eléctricamente. Es decir, puede ganar o perder carga. Y así, quedar cargada en forma negativa o positiva. La materia cargada genera un campo eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza.

Qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas

Para desplazar una carga q en un campo eléctrico desde el punto A al punto B será necesario, en general, efectuar un trabajo. Se define la diferencia de potencial V entre A y B como el trabajo realizado W dividido entre la carga q.

V = W/q

Donde:

W = trabajo en joules (J)

q = Carga en coulombs (C)

V = Diferencia de potencial en volts (V)

Cuando lo que interesa es la diferencia de potencial entre un punto fijo A y cualquier otro B, se habla simplemente de potencial del punto B. Al potencial del punto A puede dársele el valor cero. Puede calcularse muy fácilmente el potencial del punto r cuando el campo eléctrico se produce por una carga puntual Q ubicada en r = 0.

Al potencial del punto en el infinito se le asigna el valor cero. Entonces, el potencial del punto r será igual al trabajo que hay que efectuar sobre la carga unidad al desplazarla del infinito hasta la posición r:

En este caso, la diferencia de potencial V_AB entre los puntos A y B, estará dada por

Esto es, la diferencia de potencial será igual al trabajo que se efectua sobre una carga unidad para trasladarla del punto A al punto B.

Qué es la energía potencial

El trabajo efectuado para trasladar la carga q desde el infinito hasta el punto A, estará dada por

Este trabajo es precisamente la energía potencial que se almacena en el sistema formado por las dos cargas Q y q separadas porla distancia r_A.

Los puntos de igual potencial definen una superficie llamada superficie equipotencial. La superficie equipotencial que pasa por el punto P es normal al vector de intensidad eléctrica E_P en ese punto.

En el caso del campo generado por una carga puntual, las superficies equipotenciales son esferas con centro en la carga. La superficie de un conductor cargado es también una superficie equipotencial.

Trabajo realizado al cargar un conductor

Imaginemos que al cargar un conductor se procede por etapas, en cada una de las cuales se agrega una pequeña carga Δq. Si el conductor se encuentra al potencial V, al llevar la carga Δq desde el infinito hasta la superficie del conductor se efectuará el trabajo

ΔW = VΔq

Como éste es el trabajo efectuado en cada etapa, el trabajo total que se efectuará hasta colocar en el condutor la carga Q, será igual a la suma de los trabajos efectuados en cada etapa. Matemáticamente, lo anterior se expresa como

           W = ΣΔW = ΣΔq          (*)

El símbolo Σ (sigma) indica que debe efectuarse una suma. Por otra parte, se encuentra experimentalmente que la carga q depositada sobre la superficie de un conductor es proporcional al potencial V de la superficie, esto es

           q = CV          (**)

La constante de proporcionalidad recibe el nombre de capacitancia o capacidad del conductor.

Si [q] = C y [V] = V, entonces [C] = coulomb/volt = farad = F, y C dependerá exclusivamente del tamaño y de la geometría del cuerpo, y del medio donde se encuentra.

Substituyendo el potencial dado en (**) en la expresión(*), se tendrá que:

donde Q y V representan la carga y el potencial finales del conductor.

¿Conocías qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas?

Superposición de las fuerzas eléctricas y el campo eléctrico

Descubre la superposición de las fuerzas eléctricas y su relación con el campo eléctrico. La fuerza eléctrica que una carga ejerce sobre otra es un vector. Esto quiere decir lo siguiente: consideremos un sistama formado por las cargas q₁, q₂, q₃.

La fuerza eléctrica es un vector. (a) F₁ es la fuerza que ejerce q1 sobre q3 en ausencia de q2. (b) F₂ es la fuerza que q₂ ejerce sobre q₃ en ausencia de q₁. (c) F es la fuerza que q₁ y q₂ ejercen sobre q₃.

Si es la fuerza que q₁ ejerce sobre q₃ en ausencia de q₂ y  es la fuerza que q₂ ejerce sobre q₃ en ausencia de q₁, entonces la fuerza F₃ ejercida sobre q₃ bajo el influjo simultaneo de q₁ y q₂ es

Superposición de las fuerzas eléctricas y el campo eléctrico

La fuerza que una carga experimenta debido debido a una distribución de carga dependerá no sólo de la naturaleza de esta distribución sino tambiénde la posición de la primera carga, de su magnitud y de su signo.

Se observa que, cuando la magnitud de la carga es pequeña, la fuerza ejercida es proporcional a esta magnitud. Esto es,

El vector dependerá, entonces, solamente de la distribución de carga y de la ubicación de q. Cuando se especifica el valor que tiene para todos los puntos de una región, se dice que se conoce como el campo eléctrico en esa región. El valor de en un punto dado recibe el nombre de intensidad eléctrica o intensidad del campo en ese punto.

Principalmente para representar en un gráfico el campo eléctrico, se introduce la idea de línea de fuerza como se muestra en la figura.

Línea de fuerza

Es decir, el vector de intensidad eléctrica en el punto P es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. El sentido de la línea es la del campo eléctrico.

Además, para dar una idea adecuada del campo, el número de líneas que atraviesan por unidad de área de una superficie normal al vector de campo eléctrico en el punto P, por ejemplo, es proporcional a la intensidad de campo E_p.

El número de líneas de fuerza que pasan por unidad de área de una superficie normal al campo en el punto P es proporcional a la magnitud E_p del campo en ese punto.

A continuación, ilustramos algunos campos eléctricos producidos por diferentes distribuciones de carga.

Ejemplos de campos eléctricos. (a) Carga puntual positiva. (b) Carga puntual negativa. (c) Dos cargas de signo opuesto. (d) Dos cargas de igual signo. (e) Dos placas paralelas con carga de signo contrario.

La ley de Coulomb y la conservación de la carga

Descubre la La ley de Coulomb y la conservación de la carga, para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo. Charles Agustín Coulomb, físico francés (1736-1806), determinó experimentalmente que la magintud de la fuerza F que un cuerpo de carga q₁ ejerce sobre otro de carga q₂ es directamente proporcional a la magnitud de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que los separa, O sea

F_1→2 = k_E (q₁ q₂)/r²

Esta expresión es válida cuando las dimensiones lineales de los cuerpos cargados son pequeños en comparación con la distancia que los separa. k_E es la constante electrostática y su valor depende del medio donde se encuentra las cargas. Para el vacío, k_E = 9 x 10⁹ Nm²/C². En la figura se indica la dirección y el sentido de la fuerza F_1→2 cuando las cargas tienen el mismo signo y cuando tienen signo opuesto.

La ley de Coulomb y la conservación de la carga

Según Franklin los cuerpos tienen una cantidad de electricidad normal. Cuando un cuerpo es frotado contra otro, parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo a otro, de modo que uno queda con exceso y el otro con defecto. Este modelo presupone la existencia de un principio de conservación de la carga.

Ver también: La ley de Charles Coulomb

Según el principio de conservación de la carga, en un sistema aislado la carga se conserva. Es decir, la suma de las cargas positivas y negativas permanece contante. Debido a que la electrización de la materia es un intercambio de electrones, es frecuente utilizar su carga como unidad elemental de carga. La carga eléctrica de un material siempre es múltiplo de la carga eléctrica de un electrón.

De esta forma, son los electrones y los protones las principales partículas subatómicas responsables de la aparición de la electricidad. Ésta se puede originar o transmitir provocando el movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro.

Diferencia entre conductores y aisladores

Descubre la diferencia entre conductores y aisladores. La conducción de electricidad en la materia se debe al transporte de cargas (electrones, iones positivos o negativos) a través de ella. En algunos sólidos, una fracción de sus electrones no están asociados con un átomo en particular. Y, bajo la acción de una fuerza eléctrica, pueden transportarse de un lugar a otro del material. A estos sólidos se les llama conductores. En otras substancias los electrones se encuentran firmemente unidos a un átomo o a un grupo de ellos. En este caso, los electrones, bajo la acción de un campo eléctrico externo, sólo pueden desplazarse distancias pequeñas, del orden de las dimensiones moleculares. Puesto que no hay transporte de carga de un lugar a otro del material, no pueden conducir electricidad y se les denomina aisladores.

Los líquidos en estado puro son prácticamente aisladores, mientras que las soluciones acuosas son conductoras en un grado que depende del porcentaje de soluto. Todos los metales son conductores en mayor o menor medida.

Ver también: conductores, semiconductores y aislantes

Algunos de los metales más usados como conductores son el cobre, el oro, la plata, el aluminio y el hierro. Entre éstos, el cobre es el más común por ser relativamente económico y lo suficientemente bueno para cumplir su función, al igual que el aluminio.

El oro y la plata podrían considerarse como los mejores metales conductores. Sin embargo, no es muy común su uso a causa de su alto costo.

La mayoría de los aparatos eléctricos utilizan uno o varios hilos de cobre sólido para conducir la electricidad. Dependiendo de la potencia eléctrica, el grosor de los hilos aumentará para no calentarse en exceso o quemarse. Estos conductores suelen revestirse con un material aislante como el PVC.

¿Conocías esta diferencia entre los conductores y aisladores?

La electricidad y el carácter eléctrico de la materia

 

Hablemos de la electricidad y el carácter eléctrico de la materia. Al frotar una barra de hule con un pedazo de lana, tanto la barra como la lana se electrizan o se cargan eléctricamente. Ahora, si dos barras de hule que se han frotado con lana se colocan una cerca de la otra, se observa una fuerza de repulsión entre las dos. Frotemos, a continuación, dos barras de vidrio con un pedazo de seda. Al ponerlas una cerca de la otra, observaremos otra vez una fuerza de repulsión entre las barras de vidrio. Pero si acercamos una de las barras de hule a una barra de vidrio, previamente electrizadas, veremos que existe ahora una fuerza de atracción.

La carga de todo cuerpo electrizado puede compararse con la de tales barras. Y decimos que cuando se repelen por la barra de hule cargada tienen una carga negativa. Y cuando se repelen por la barra de vidrio electrizada tienen una carga positiva. La elección del signo de la carga, es decir, los adjetivos de positiva y negativa son arbitrarios. La convención establecida es la que se adopta en toda la física.

Experimentalmente se encuentra que la carga eléctrica no puede crearse ni destruirse. Cuando se crea una carga positiva siempre se genera una carga negativa de igual magnitud. Esta es una de las leyes fundamentales de la física y recibe el nombre de ley de la conservación de la carga eléctrica.

Sabemos que la materia está formada por átomos, los cuales constan de un núcleo, que a su vez está formado por protones y neutrones, y de electrones. Los protones tienen una carga positiva y los electrones una carga negativa. Así, el núcleo de un átomo está cargado positivamente, y los electrones están ligados a los núcleos formando una especie de atmósfera alrededor de ellos. Cuando el átomo se encuentra en su estado normal, el número de protones es igual al número de electrones, por lo que es eléctricamente neutro.

El carácter eléctrico de la materia

Es, a veces, conveniente pensar que un átomo es una especie de sistema solar en miniatura: el núcleo toma el ellugar del sol,y los electrones el lugar de los planetas. Aunque esta imagen se encuentra muy alejada de la realidad. En un átomo con varios electrones, algunos están cerca del núcleo, y los otros se encuentran a distancias mayores. Así, por ejemplo, el átomo de sodio tiene 11 electrones, de los cuáles dos se encuentran muy cerca del núcleo, ocho a una distancia mayor y el último está más lejos todavía. Este último no está muy fuertemente ligado al átomo y se puede remover muy fácilmente.

Ver también: El electromagnetismo

En general, un átomo con varios electrones tendrá algunos que dificilmente pueden removerse, y algunos otros, aunque en menor número, que pueden desprenderse muy fácilmente. Por ejemplo, los átomos de litio y de sodio tienen electrones externos que se pueden remover muy fácilmente. Otros átomos, como el helio, el neón y el argón, tienen electrones externos que sólo difícilmente pueden removerse. Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por sus electrones externos.

Se observa que los átomos o moléculas de algunas substancias fácilmente capturan electrones y otras los ceden. Se dice, entonces, que la afinidad electrónica de las primeras es mayor que la de las segundas. Al p oner en contacto dos substancias de distinta afinidad electrónica, la que la tenga mayor absorberá electrones de la otra. La primera quedará cargada negativamente y la segunda positivamente.

¿Qué opinas sobre la relación que existe entre la electricidad y el carácter eléctrico de la materia?