Energía Potencial y Potencial Eléctricos

Como la fuerza eléctrica entre dos cargas es conservativa, tiene asociada una función energía potencial eléctrica (Ep), cuya diferencia entre dos puntos corresponde al trabajo realizado por la fuerza eléctrica entre esos puntos: Ep(A) – Ep(B) = W_AB. Así se deduce que la energía potencial eléctrica entre dos cargas es Ep = 1/(4πε₀) * q₁q₂ / r, donde se toma la energía potencial en el infinito igual a cero. La energía potencial eléctrica total de un conjunto de cargas es la suma de las energías potenciales de todos los pares distintos de cargas que se pueden formar.

El campo eléctrico E también es conservativo; por tanto, tiene asociado un campo escalar denominado potencial eléctrico, que se mide en Voltios (V).

Fuerza de Lorentz

A lo largo del siglo XIX, trabajos de Faraday, Thompson y Lorentz permitieron describir la fuerza magnética que sufren las cargas puntuales en movimiento en presencia de un campo magnético. Todas sus experiencias llevaron a deducir que la fuerza magnética sobre una partícula de carga q que se mueve con velocidad v en presencia de un campo magnético B es proporcional a la carga y al producto vectorial entre la velocidad y el campo magnético:

F_m = q(v x B)

Si la carga está sometida simultáneamente a un campo eléctrico, E, y uno magnético, B, la fuerza que actúa sobre dicha carga se conoce como Fuerza de Lorentz y es la suma de la fuerza eléctrica y la magnética:

F = q(E + v x B)

La fuerza de Lorentz ha sido fundamental para el estudio del electromagnetismo y tiene múltiples aplicaciones, como el espectrómetro de masas, el selector de velocidades o aceleradores de partículas como el ciclotrón.

Inducción Electromagnética: Leyes de Faraday y Lenz

La inducción electromagnética es la producción de electricidad mediante magnetismo en determinadas condiciones. Los primeros científicos que la estudiaron fueron Faraday y Henry, quienes observaron que en un circuito se genera una corriente eléctrica en las siguientes circunstancias:

1. Si se acerca un imán al circuito, o se aleja del mismo. O bien el circuito se mueve con respecto al imán.
2. Si hay un movimiento relativo entre el circuito y otro circuito por el que circule una corriente continua.
3. Si el segundo circuito transporta una corriente variable, aunque ambos estén en reposo.
4. Si se deforma el circuito en el seno de un campo magnético.

Todos los hechos anteriores pueden explicarse mediante la ley de Faraday. La f.e.m. es el trabajo por unidad de carga que se realiza en el circuito. Se mide en Voltios. El signo negativo en la ley de Faraday indica el sentido en que circula la corriente inducida. Esto se expresa en un principio físico conocido como ley de Lenz.

Una de las aplicaciones del principio de inducción electromagnética es en la generación de corriente eléctrica por transformación de trabajo mecánico en electricidad.

Carga Eléctrica. Ley de Coulomb

La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de la interacción electromagnética. Tiene las siguientes propiedades:

1. Puede ser positiva o negativa.
2. La carga total de un conjunto de partículas es la suma algebraica con el signo de sus cargas individuales.
3. La carga eléctrica total de un sistema aislado se conserva.
4. La carga está “cuantizada”: solamente se presenta en cantidades discretas que son múltiplos enteros de una cantidad elemental: |e| = 1.6·10^-19 C. La carga del electrón es -|e| y la del protón +|e|.

La unidad de carga en el SI es el Culombio (C).

La ley de Coulomb describe la interacción entre cargas eléctricas en reposo. La ley dice que:

La fuerza ejercida por una carga puntual q₁ sobre otra q₂ es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, r, que las separa. Se trata de una fuerza central dirigida según la línea que une las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos. Matemáticamente:

F = Kq₁q₂ u_r/r²

En otros medios que no sean el vacío, la constante tiene otros valores.

Las fuerzas electrostáticas cumplen el principio de superposición: la fuerza neta que ejerce un conjunto de cargas sobre otra es la suma vectorial de todas las fuerzas ejercidas sobre ella.

Energía Potencial Gravitatoria

La fuerza gravitatoria, por ser conservativa, tiene asociada una función energía potencial gravitatoria, Ep, tal que el trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos A y B es igual a la disminución de esta energía potencial: Ep(a)-Epb=Wab

Así se deduce que la energía potencial gravitatoria de una partícula de masa m₁ a una distancia r de otra masa m₂ es igual a:

Ep=-G m₁m₂/r

donde la energía potencial en ∞=0. Al ser una energía se expresa en Julios (J)