Energía Potencial Eléctrica

Cuando hablamos de la energía potencial gravitatoria estudiamos que un cuerpo que se encuentra a determinada altura de la superficie de la Tierra adquiere una determinada cantidad de energía potencial provocada por la acción de la fuerza gravitatoria. De igual forma, un cuerpo cargado que sufre la acción de una fuerza eléctrica adquiere energía potencial electrostática.

La energía potencial eléctrica que posee una carga puntual q1 en presencia de otra carga puntual q2 que se encuentran separadas cierta distancia es

Ep=K⋅q1⋅q2r 

donde:

• Ep es la energía potencial eléctrica. En el S.I. se mide en Julios (J).
• q1 y q2 son los valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios (C).
• r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m).
• K es la constante de la ley de Coulomb. Para el vacío su valor es aproximadamente 9·109 N·m2/C2 utilizando unidades en el S.I.

Date cuenta que la energía potencial eléctrica es:

• positiva si las cargas poseen el mismo signo y negativa si tienen signos distintos.
• nula cuando la distancia de separación es infinita.
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RELACIÓN ENTRE CAMPO Y POTENCIA

Potencial Eléctrico de campo
Después de ver el campo, E, y el potencial, V, son dos formas distintas de caracterizar el campo eléctrico, interesa fijarse en la relación entre ambos conceptos. La relación matemática entre ambos conceptos se expresa diciendo que el campo es igual al gradiente (negativo) del potencial, y esto, limitando el análisis a una sola componente espacial, x, se reduce a:
Expresión que supone que la magnitud de la componente del campo eléctrico en la dirección adoptada, x, equivale al ritmo de variación del potencial eléctrico con la distancia. El signo menos indica que la orientación del campo es la que coincide con el sentido hacia el que el potencial decrece.
En la figura de la izquierda se visualiza esta relación en el caso del campo creado por una carga puntual de signo positivo. En este caso, las líneas de fuerza del campo eléctrico forman un haz que emerge de la carga en todas las direcciones y se dirige hacia el exterior. Junto con ellas, se han dibujado también tres superficies esféricas (1, 2 y 3) con centro en la carga. Sonsuperficies equipotenciales, ya que, como el valor del potencial eléctrico depende únicamente de la carga y de la distancia, en todos los puntos que pertenecen a cada una de estas superficies, el potencial tiene un valor constante. El dibujo completo muestra que, tal como predice la relación escrita un poco más arriba, las líneas del campo eléctrico atraviesan a dichas superficies equipotenciales perpendicularmente y se dirigen desde donde el potencial el mayor (superficie 1) hacia donde es menor (superficie 3).
Este tipo de representación, que dibuja las líneas de fuerza del campo y superficies equipotenciales, es muy instructivo, porque, después de calcular el potencial el cada punto circundante a cualquier distribución de carga, ayuda a prever la dirección y el sentido de las líneas de fuerza del campo, y viceversa. Como ejemplo, se muestran a la derecha las líneas del campo eléctrico (en color rojo) y las superficies equipotenciales (en azul) de un dipolo eléctrico, formado por dos cargas puntuales de signos opuestos (la positiva representada de color rojo y la negativa de color verde).
Un caso de especial interés es el condensador plano. Entre sus placas el campo eléctrico es prácticamente uniforme y por eso sus líneas de fuerza son casi paralelas. Dichas líneas se dirigen desde la zona donde el potencial el mayor (la placa con carga positiva) hacia donde es menor (la placa con carga negativa). A su camino atraviesan las superficies equipotenciales, en este caso planos paralelos a las placas, siendo mayor el potencial cuanto más cerca se esté de la placa positiva (superficie 1) y menor cuanto más cerca ese esté de la negativa (superficie 3). En este caso especial, la intensidad del campo eléctrico uniforme existente entre las placas y la tensión, V, o diferencia de potencial entre ellas, se relacionan mediante la sencilla expresión:
En este documento se deducen, mediante desarrollos sencillos, las dos expresiones que aparecen en esta página. Quienes estén interesados, pueden consultar en este otro documento el desarrollo de la relación entre el campo y el potencial eléctrico creados por una carga puntual, considerando las tres dimensiones del espacio.

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Líneas Equipotenciales

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Las líneas equipotenciales son como las líneas de contorno de un mapa que tuviera trazada las líneas de igual altitud. En esta caso la "altitud" es el potencial eléctrico o voltaje. Las líneas equipotenciales son siempre perpendiculares al campo eléctrico. En tres dimensiones esas líneas forman superficies equipotenciales. El movimiento a lo largo de una superficie equipotencial, no realiza trabajo, porque ese movimiento es siempre perpendicular al campo eléctrico.

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Líneas Equipotenciales: Campo Constante En las placas conductorascomo las de loscondensadores, las líneas del campo eléctrico son perpendiculares a las placas y las líneas equipotenciales son paralelas a las placas. Otras Geometrías de Cargas	Índice Conceptos sobre Voltaje
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Líneas Equipotenciales: Carga Puntual El potencial eléctrico de una carga puntual está dada por de modo que el radio r determina el potencial. Por lo tanto las líneas equipotenciales son círculos y la superficie de una esfera centrada sobre la carga es una superficie equipotencial. Las líneas discontinua ilustran la escala del voltaje a iguales incrementos. Con incrementos lineales de r las líneas equipotenciales se van separando cada vez mas. Otras Geometrías de Cargas

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Líneas Equipotenciales: Dipolo El potencial eléctrico de un dipolomuestra una simetría especular sobre el punto central del dipolo. En todos los lugares siempre son perpendiculares a las líneas de campo eléctrico. Otras Geometrías de Cargas	Índice Conceptos sobre Voltaje Conceptos sobre Dipolo Eléctrico
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Trabajo Eléctrico

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Como hemos estudiado anteriormente, si aplicas una fuerza sobre una caja y esta se desplaza, decimos que la fuerza que ejercemos realiza un trabajo. De igual forma, si un cuerpo que se encuentra cargado ejerce una fuerza eléctrica de atracción o repulsión sobre otro que también se encuentre cargado, dicha fuerza realizará un trabajo mientras este último se desplace.

El trabajo eléctrico es el trabajo que realiza una fuerza eléctrica sobre una carga que se desplaza desde un punto A hasta otro punto B.

Si suponemos que la fuerza es constante durante todo el desplazamiento, se puede expresar de la siguiente forma:

W⃗ e(A→B)=F⃗ e⋅Δr⃗ AB

donde:

• W⃗ e(A→B) es el trabajo eléctrico. En el S.I. se mide en Julios (J).
• F⃗ e es la Fuerza eléctrica que sufre la carga. En el S.I. se mide en Newtons (N).
• Δr⃗ AB es el vector desplazamiento entre ambos puntos. En el S.I. se mide en metros (m).

Al igual que ocurre con otras fuerzas, como la fuerza gravitatoria, la fuerza eléctrica es una fuerza conservativa. Esto implica que:

• El trabajo que realiza una fuerza eléctrica para mover un cuerpo cargado desde una posición A hasta otra B, únicamente depende de dichas posiciones y no del camino seguido para llegar de A a B.
• Cuando el camino que sigue el cuerpo entre A y B es un camino cerrado o un ciclo, el trabajo eléctrico es nulo.

Signo del Trabajo Eléctrico

Si nos atenemos a la expresión matemática de trabajo eléctrico, nos damos cuenta de que la operación principal es un producto escalar. Esta operación puede devolver un valor positivo, negativo o nulo, dependiendo del menor ángulo que se forme entre la fuerza eléctrica y el vector desplazamiento. Si el ángulo (α) es:

• α > 90º. El trabajo eléctrico será negativo (We < 0).
• α = 90º. El trabajo eléctrico será nulo (We = 0).
• α < 90º. El trabajo eléctrico será positivo (We > 0).

¿Cómo podemos interpretar este signo?. A priori, si un cuerpo cargado se encuentra libre y derrepente sufre la acción de una fuerza eléctrica, el cuerpo se moverá en el sentido de la fuerza eléctrica y por tanto, el trabajo eléctrico será positivo. 

Si por el contrario, se le aplica una fuerza externa contraria a la fuerza eléctrica que provoca un desplazamiento opuesto al que debería producir la fuerza eléctrica, el trabajo eléctrico será un valor negativo.

El trabajo eléctrico de una fuerza eléctrica siempre será positivo salvo que intervenga alguna fuerza externa que provoque un desplazamiento opuesto al que debería provocar únicamente la fuerza eléctrica.

Trabajo de Fuerzas Externas contrarias a la Fuerza Eléctrica

El trabajo eléctrico es el trabajo que realizan las fuerzas eléctricas, pero ¡no te confundas!. Otra cosa distinta es el trabajo que puede realizar una fuerza externa en contra de las fuerzas eléctricas para intentar aproximar dos cuerpos cargados con el mismo signo (que apriori intentarán separarse) o alejar dos cuerpos cargados con distinto signo (que apriori intentarán unirse). En este caso, el trabajo realizado por dicha fuerza externa para mover un cuerpo desde un punto A a otro B es:

We=−Wf

donde:

• We es el trabajo realizado por la fuerza eléctrica para moverlo desde A hasta B.
• Wf es el trabajo realizado por la fuerza externa para moverlo desde A hasta B.

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MATERIALES CONDUCTORES Y MATERIALES AISLANTES

CONDUCTORES Y AISLANTES

Los materiales pueden ser clasificados en conductores o aislantes, según conduzcan la electricidadcon facilidad o no lo hagan.

Esta clasificación depende de cuán firmemente estén unidos los electrones a sus estructuras, ya que esto es un indicio de la energía necesaria para otorgarles movilidad dentro del material, es decir para conducir la electricidad.

EJEMPLOS DE CONDUCTORES Y DE AISLANTES 

Esta diferenciación es útil dentro de ciertos límites. Por ejemplo, el cuarzo fundido es 10 cuatrillones de veces mejor aislante que el cobre, por lo que ambos suelen ser señalados como excelentes aislante y conductor, respectivamente. Los metales y el agua sin destilar son considerados buenos conductores, en cambio los plásticos y el vidrio son buenos aislantes.

El agua ¿conductora o aislante?

El agua en estado químicamente puro es una sustancia aislante. Sin embargo, en la naturaleza se la encuentra en solución con otras sustancias que presentan en su estructura iones con relativa libertad de movimiento. En tales condiciones, estas soluciones son muy buenas conductoras de la electricidad.

Una estrategia usada para evitar los accidentes causados por la acumulación de electricidad estáticaconsiste en aumentar la conductividad superficial por elevación de la humedad relativa. Muchas veces se instala  con este propósito un sistema de humidificación, integrado al equipo de aire acondicionado. El aire húmedo conduce la electricidad e impide que las superficies se carguen.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

A esta clasificación se agregan en la actualidad los materiales llamados semiconductores, como el silicio y el germanio, los cuales son buenos aislantes cuando están en estado cristalino puro, peroconducen la electricidad cuando se sustituyen solo algunos átomos del cristal con otros, como arsénico o boro, mediante la técnica conocida como dopado del material.

Los semiconductores tienen amplia aplicación tecnológica, por ejemplo en la fabricación de transistores.

MATERIALES SUPERCONDUCTORES

Algunos materiales que se consideran buenos conductores aumentan su conductividad hasta prácticamente el infinito cuando se los enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto (– 273 K): son los llamados superconductores.

En la actualidad, se han encontrado algunos materiales cerámicos superconductores a temperaturas de algo más de 100 K. Existen grandes expectativas respecto del diseño de materiales superconductores a  temperaturas más altas ya que permitirían un ahorro importante de energía.

MATERIALES CONDUCTORES

En los materiales conductores, la carga se distribuye en la superficie, lo que es fácilmente explicable si se tiene en cuenta la repulsión entre las cargas de igual signo y la relativa movilidad con que cuentan en los materiales de buena conductividad.

La concentración de carga depende de la curvatura de la superficie, y se puede comprobar experimentalmente que la máxima concentración se da en los értices o puntas.

El cuerpo humano puede ser considerado como un buen conductor. Cuando la humedad relativa es baja, puede acumular cargas bastante altas, ocasionadas por ejemplo, por la fricción del calzado con suelos aislantes.

También puede observarse la fricción de las prendas de seda, lana o fibras sintéticas, que al ser retiradas provocan muchas veces pequeñas chispas eléctricas visibles y también audibles como un débil chisporroteo.

Estas consideraciones adquieren significativa importancia en cuanto a evitar accidentes para aquellas personas que trabajan con materiales altamente inflamables y también para las que manipulan con equipos electrónicos muy sensibles, ya que éstos podrían sufrir algún desperfecto por la acción de esa pequeña descarga.

MATERIALES DIELÉCTRICOS

Los materiales dieléctricos contienen una serie de cargas ligadas que no ejercen tanta libertad de movimiento como los materiales conductores. Además, a diferencia de los materiales aislantes puede ser sometido a campos eléctricos externos sin afectar al campo eléctrico interno. Sus materiales se componen de átomos y moléculas cuya distribución interna de cargas desplaza o modifica los campos eléctricos. Esto resuelve el hecho de que todos los materiales dieléctricos pueden ser considerados aislantes, pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos. Algunos ejemplos de este material incluye la madera, el papel, la cera, la cerámica, la goma o el vidrio. Asimismo, los gases considerados dieléctricos son el nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.

RESISTENCIA ELÉCTRICA EN MATERIALES CONDUCTORES O AISLANTES

La resistencia eléctrica, con el Ohmnio como unidad de medida y representada por la letra griega “omega” o “R” (como expresión), es la oposición que tienen los electrones al moverse a través de un determinado material conductor. Los factores más importantes que determinan la resistencia a la electricidad son el tipo de material por el que pasan, su longitud, la temperatura a la que está sometida y la forma de la sección transversal. Un material aislante, conductor o semiconductorpuede conducir la electricidad mejor o peor dependiendo de su configuración atómica.

Estas características pueden actuar de la siguiente manera:

Al contrario de lo que sucede en un cable de unos pocos centímetros, el material de mayor longitud siempre ofrecerá mayor resistencia al paso a la electricidad. Asimismo, cuando el tipo de material posee una mayor sección transversal, menor será la resistencia al paso de la corriente. Las temperaturas elevadas tampoco ayudan al paso de la corriente, de ahí que sea importante alejar los cables de determinados elementos electrónicos.

MATERIALES CONDUCTORES TÉRMICOS

Aunque la mayoría de las veces cuando hacemos referencia a un material conductor nos referimos a su capacidad para dejar pasar o circular libremente la energía eléctrica. Sin embargo, también se puede hablar de materiales conductores del calor.

En este caso se trata de materiales que son capaces de absorber el calor de otros materiales mediante el contacto con ellos. En este sentido, un material conductor del calor transmitirá su calor a otro conductor que esté más frío y sus temperaturas tenderán a igualarse.

La conductividad térmica suele ser alta en los metales y en los cuerpos sólidos en general mientras que suele ser mucho más baja en lo que a los gases se refiere. Además, esta conductividad térmica no existe en el vacío ya que para que se produzca se necesitan algún tipo de sustancia.

Algunos de los materiales que mejor conducen el calor son el aluminio, el plomo, el cinq, el estaño, el bronce, el hierro, el litio, la plata…

MATERIALES AISLANTES TÉRMICOS

Al contrario de los que pudiera parecer, un aislante térmico no es exactamente todo lo contrario a un conductor térmico. Es cierto que los conductores térmicos ofrecen menos resistencia al paso del calor, pero se podría decir que todas las sustancias son, aunque sea muy poco, conductoras del calor, incluso los aislantes térmicos.

Efectivamente, casi cualquier cuerpo o sustancia a la que se le aplique calor aumentará su temperatura. La diferencia es que algunas resisten mucho más antes de que se produzca este cambio de temperatura. Esto permite a ciertos materiales ser utilizados como aislantes del calor. Son materiales que tienen la suficiente resistencia al calor para el uso que se les quiere dar. Por ello, uno de los mejores aislantes térmicos es el propio vacío, ya que no existe sustancia alguna que se pueda calentar.

Los aislantes térmicos se pueden usar para infinidad de usos, por ejemplo para recubrir las cabinas de los aviones o reforzar áreas cerradas rodeadas de altas temperaturas.

Algunos de los materiales aislantes específicos que son legalmente válidos son el poliestireno expandido , la lana mineral (lana de roca), los Losas de lana de madera , el poliestireno extruido, la espuma de poliuretano o el corcho expandido

http://erenovable.com/materiales-conductores-y-materiales-aislantes/

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