Hablemos sobre Potencial Eléctrico: Energia Potencial (Parte 1)

Desde hace varias semanas atrás comenzamos un paseo por las interacciones eléctricas, y el día de hoy empezamos a hablar sobre un tema primordial en electricidad, es decir, potencial eléctrico.

Principalmente nos ocuparemos de hablar un poco sobre la energía asociada con las interacciones eléctricas. Cuando encendemos la lámpara de nuestro cuarto, escuchamos música en el equipo de sonido, o simplemente prendemos el tv para ver nuestro programa favorito, estamos haciendo uso de la energía eléctrica, el cual resulta ser un ingrediente indispensable de nuestra sociedad tecnológica. En publicaciones anteriores hablamos sobre conceptos de trabajo y energía, ahora combinaremos estos conceptos con lo que hemos aprendido acerca de carga eléctrica, fuerzas eléctricas y campo eléctrico.

Es importante acotar, que el concepto de energía hizo posible resolver de una manera más sencilla ciertas clases de problemas de la mecánica clásica, y en este momento también será de gran ayuda para resolver gran variedad de problemas de electricidad.

Cuando una partícula con carga se desplaza en un campo eléctrico, entonces el campo ejerce una fuerza que podría realizar un trabajo sobre dicha partícula, ese trabajo se podría expresar en términos de energía potencial eléctrica. Así como la energía potencial gravitatoria depende de la altura de una masa respecto a la superficie terrestre, la energía potencial eléctrica depende de la posición de la partícula con carga en el campo eléctrico. Es entones, cuando llegamos a describir dicha energía con base a ese nuevo e importante concepto potencial eléctrico.

En los circuitos, una diferencia de potencial entre un punto y otro lo solemos conocer comúnmente como voltaje, lo que quiere decir que en ese tema los conceptos de potencial y voltaje resultan ser de suma importancia para poder comprender como funcionan los circuitos eléctricos, y cuáles son sus aplicaciones en los diferentes dispositivos electrónicos.

Ahora bien, hablando un poco más profundo sobre la energía potencial eléctrica. Cuando sobre una partícula actúa una fuerza F la cual se desplaza de un punto a, hasta un punto b, el trabajo que se realiza viene definido por un integral de línea:

La expresión que acabamos de ver se le conoce como trabajo realizado por una fuerza, en donde dl es un desplazamiento infinitesimal a lo largo de la trayectoria de la partícula y ϕ es el ángulo que se forma entre F y dl en cada punto, durante todo el largo del desplazamiento.

Si la fuerza es conservativa, entonces el trabajo realizado por F siempre se puede expresar en términos de una energía potencial U, y cuando la partícula se desplaza de un punto donde la energía es Ua a un punto Ub, se puede decir que el cambio de energía potencial es:

Y por lo tanto el trabajo realizado por la fuerza es:

Es importante acotar que cuando el trabajo es positivo, Ua es mayor que Ub, ΔU es negativa, y la energía potencial disminuye. Algo similar ocurre cuando una pelota de beisbol cae de un punto alto a uno más bajo por causa de la gravedad; la fuerza de la gravedad realiza un trabajo positivo y la energía potencial gravitatoria disminuye. En cambio cuando la pelota es lanzada, es decir va en ascenso, la fuerza gravitatoria realiza un trabajo negativo y la energía potencial aumenta.

Ya por ultimo es importante hablar del teorema de trabajo y energía, el cual afirma que el cambio de energía cinética durante cualquier desplazamiento, es igual al trabajo total realizado sobre la partícula. Si el único trabajo que se realiza sobre la partícula está a cargo de fuerzas conservativas entonces tenemos que:

Que habitualmente lo conocemos como:

A esta expresión se le conoce como la energía mecánica total (cinética más potencial) se conserva en las circunstancias antes mencionadas.

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