Energía Potencial Eléctrica
El principio de la Conservación de la Energía asegura que la energía que adquiere una partícula debe ser igual a la cantidad de algún otro tipo de energía que pierde. Esta es la energía potencial eléctrica (E potencial).
El cambio de la energía cinética de una partícula cualquiera es igual al trabajo que las fuerzas aplicadas sobre ella.
E cinética final – E cinética inicial = Trabajo de las fuerzas eléctricas.
Si se quiere desplazar una carga sometida a un campo eléctrico en el sentido contrario al que se movería libremente, se le debe entregar energía. De este modo, la energía que se le entrega la almacena en forma de energía potencial eléctrica.
Si la carga se mueve a lo largo de una de las líneas de campo, el trabajo se calcula como el producto entre la fuerza eléctrica y el desplazamiento: W = F . d
En este caso, la fuerza es de interacción eléctrica entre el campo eléctrico y la carga, entonces se puede reemplazar: W = q . E . d
Y por lo expresado anteriormente: – E pot = q . E . d
Potencial Eléctrico
La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos (V) se calcula como el trabajo (cambiado de signo) que un campo ejerce sobre una carga de 1 C que en él se desplaza. Esta magnitud resulta útil pues es una característica propia del campo independiente de la carga que se coloque, y representa el cambio de energía por unidad de carga. Su unidad de medida es el volt o voltio.
En todos los casos se toma arbitrariamente un punto en el que el potencial eléctrico vale cero. Entonces, el valor del potencial en cualquier otro punto representa el trabajo para llevar la carga de 1 C desde el punto de potencial cero hasta él.
Como se trata de la energía potencial por unidad de carga se puede expresar del siguiente modo:
V = E pe / q
Para una carga puntual Q, se puede calcular el potencial en un punto a una distancia d de aquella. La elección usual es tomar el potencial igual a cero a distancias infinitamente grandes de la carga, entonces:
V = k . Q / d
Nuevamente aparece la constante k por lo tanto el potencial eléctrico también depende del medio en el que se encuentre la carga.
Principio de Superposición
El principio de Superposición se expresa en función del potencial eléctrico:
Para una configuración de dos o más cargas, el potencial eléctrico en un punto del espacio es la suma de cada uno de los potenciales creados individualmente por cada carga.
Superficies Equipotenciales
Cada una de las esferas imaginarias que rodean a la carga unen puntos del mismo potencial eléctrico; dichas esferas reciben el nombre de superficies equipotenciales.
Las superficies equipotenciales tendrán formas diferentes según la distribución de las mismas. Si una carga se mueve sobre una superficie equipotencial, su energía eléctrica no cambia; esto quiere decir que la fuerza eléctrica no realiza trabajo.
Para que se realice trabajo eléctrico, debe haber una diferencia de potencial.
Capacitores y Capacitancia
Un capacitor o condensador tiene dos conductores separados por un medio aislante que al conectarse a una fuente, se cargan eléctricamente.
Se caracterizan por su capacitancia o capacidad (C), la cual mide la relación entre la cantidad de carga que puede retener el capacitor y la diferencia de potencial de sus conductores. Unidad de medida: Faraday o Faradio (F).
C = Q / V
La capacidad es una característica propia del capacitor, que depende de su forma y de su medio aislante.
Capacitor de Caras Paralelas
Un capacitor consta de dos placas conductoras, entre las cuales puede haber aire, vacío u otro dieléctrico. A este capacitor se lo llama capacitor de caras paralelas. Su capacitancia se calcula como:
Donde: S = superficie de sus caras, D = distancia que las separa, E = constante llamada permisividad dieléctrica.
Esta capacitancia depende solo de la forma del capacitor y del medio que encierra.
Unidades de Capacitancia
Como 1 F es un valor de capacidad muy grande, comúnmente se utilizan submúltiplos de él. Por ejemplo:
- El milifaradio (mF) = 10-3 F
- El microfaradio (µF) = 10-6 F
- El nanofaradio (nF) = 10-9 F
Almacenamiento de Energía en un Capacitor
La energía que se almacena en un capacitor proviene del trabajo necesario para cargarlo. La energía que almacena un capacitor es igual a la carga que almacena por el potencial al que se lo conecta (Epe = Q . V).
A medida que se carga o descarga un capacitor, el potencial entre sus armaduras cambia de valor, desde cero hasta un final V.
Un cálculo detallado muestra que la energía eléctrica almacenada por un capacitor es: Epe = 1/2 Q . V
O bien (usando la relación Q = C . V): Epe = 
o Epe = 
2
Dieléctricos
Los dieléctricos son materiales aislantes que cumplen un papel muy importante en los capacitores.
Al cargar el capacitor, las cargas de las placas polarizan el dieléctrico, que permanece polarizado durante todo el proceso de armado y desarmado; el dieléctrico polarizado induce las cargas en las placas.
Al introducir una sustancia aislante entre las placas de un capacitor cargado se aumenta su capacitancia respecto de la que tenía en el aire, pero disminuye la energía eléctrica almacenada, ya que la energía para polarizar el dieléctrico provino de la fuente (pila) que lo cargó.
Constante Dieléctrica
Se define la constante dieléctrica o permisividad relativa de cada medio o sustancia como la relación entre la capacidad de un capacitor con ese dieléctrico (Csust) y su capacidad en el vacío (Co):
Se puede demostrar que también vale: 