Madame Lelica

cuando una carga positiva libre q es acelerada por un campo eléctrico, como se muestra en la Figura 1, se le da energía cinética. El proceso es análogo a un objeto siendo acelerado por un campo gravitacional. Es como si la carga estuviera bajando por una colina eléctrica donde su energía potencial eléctrica se convierte en energía cinética., Exploremos el trabajo realizado en una carga q por el campo eléctrico en este proceso, para que podamos desarrollar una definición de energía potencial eléctrica.

la fuerza electrostática o de Coulomb es conservadora, lo que significa que el trabajo realizado en q es independiente del camino tomado. Esto es exactamente análogo a la fuerza gravitacional en ausencia de fuerzas disipativas como la fricción., Cuando una fuerza es conservadora, es posible definir una energía potencial asociada con la fuerza, y generalmente es más fácil lidiar con la energía potencial (porque depende solo de la posición) que calcular el trabajo directamente.

utilizamos las letras PE para denotar energía potencial eléctrica, que tiene unidades de julios (J). El cambio en la energía potencial, ΔPE, es crucial, ya que el trabajo realizado por una fuerza conservadora es el negativo del cambio en la energía potencial; es decir, W = –ΔPE., Por ejemplo, el trabajo w hecho para acelerar una carga positiva del reposo es positivo y resulta de una pérdida en PE, o un ΔPE negativo. Debe haber un signo menos delante de ΔPE para hacer W positivo. El PE se puede encontrar en cualquier punto tomando un punto como referencia y calculando el trabajo necesario para mover una carga al otro punto.

La energía potencial gravitacional y la energía potencial eléctrica son bastante análogas. La energía potencial representa el trabajo realizado por una fuerza conservadora y da una visión adicional sobre la energía y la transformación de la energía sin la necesidad de tratar con la fuerza directamente. Es mucho más común, por ejemplo, utilizar el concepto de voltaje (relacionado con la energía potencial eléctrica) que tratar directamente con la fuerza de Coulomb.,

calcular el trabajo directamente es generalmente difícil, ya que W = Fd cos θ y la dirección y magnitud de F pueden ser complejas para cargas múltiples, para objetos de forma extraña y a lo largo de caminos arbitrarios. Pero sabemos que, ya que F = qE, el trabajo, y por lo tanto ΔPE, es proporcional a la carga de prueba q. para tener una cantidad física que es independiente de la carga de prueba, definimos potencial eléctrico V (o simplemente potencial, ya que se entiende eléctrico) como la energía potencial por unidad de carga V=\frac{\text{PE}}{q}\\.,

dado que PE es proporcional a q, la dependencia de q se cancela. Por lo tanto V no depende de q., El cambio en la energía potencial ΔPE es crucial, por lo que nos preocupa la diferencia en potencial o diferencia de potencial ΔV entre dos puntos, donde

\displaystyle\Delta{V}=V_{\text{B}}-V_{\text{A}}=\frac{\Delta{\text{PE}}}{q}\\

la diferencia de potencial entre los puntos A y B, VB − VA, se define así como el cambio en la energía potencial de una carga q movida de A A B, dividida por la carga. Las unidades de diferencia de potencial son julios por coulomb, dado el nombre de volt (V) por Alessandro Volta.,

1\text{V}=1\frac{\text{J}}{\text{C}}\\

El término familiar de voltaje es el nombre común para la diferencia de potencial. Tenga en cuenta que cada vez que se cita un voltaje, se entiende que es la diferencia de potencial entre dos puntos. Por ejemplo, cada batería tiene dos terminales, y su voltaje es la diferencia de potencial entre ellos. Más fundamentalmente, el punto que usted elige para ser cero voltios es arbitrario. Esto es análogo al hecho de que la energía potencial gravitacional tiene un cero arbitrario, como el nivel del mar o quizás el piso de una sala de conferencias.,

El voltaje no es lo mismo que la energía. El voltaje es la energía por unidad de carga. Por lo tanto, una batería de motocicleta y una batería de automóvil pueden tener el mismo voltaje (más precisamente, la misma diferencia de potencial entre los terminales de la batería), sin embargo, una almacena mucha más energía que la otra desde ΔPE = qΔV. La batería del automóvil puede mover más carga que la batería de la motocicleta, aunque ambas son baterías de 12 V.

tenga en cuenta que las energías calculadas en el ejemplo anterior son valores absolutos. El cambio en la energía potencial de la batería es negativo, ya que pierde energía., Estas baterías, como muchos sistemas eléctricos, en realidad mueven carga negativa—electrones en particular. Las baterías repelen electrones de sus terminales negativos (a) a través de cualquier circuito involucrado y los atraen a sus terminales positivos (B) como se muestra en la Figura 2. El cambio en el potencial es ΔV = VB-VA =+ 12 V y la carga q es negativa, por lo que ΔPE = qΔV es negativa, lo que significa que la energía potencial de la batería ha disminuido cuando q se ha movido de A A B.

El Electrón Voltios

la energía por electrón es muy pequeña en situaciones macroscópicas como la del ejemplo anterior – una pequeña fracción de un joule. Pero en una escala submicroscópica, tal energía por partícula (electrón, protón o ion) puede ser de gran importancia., Por ejemplo, incluso una pequeña fracción de un joule puede ser lo suficientemente grande como para que estas partículas destruyan moléculas orgánicas y dañen el tejido vivo. La partícula puede causar su daño por colisión directa, o puede crear rayos X dañinos, que también pueden infligir daño. Es útil tener una unidad de energía relacionada con los efectos submicroscópicos. La figura 3 muestra una situación relacionada con la definición de dicha unidad de energía. Un electrón se acelera entre dos placas de metal cargadas como podría ser en un tubo de televisión u osciloscopio de modelo antiguo., Al electrón se le da energía cinética que más tarde se convierte en otra forma—luz en el tubo de televisión, por ejemplo. (Tenga en cuenta que cuesta abajo para el electrón es cuesta arriba para una carga positiva. Dado que la energía está relacionada con el voltaje por ΔPE = qΔV, podemos pensar en el joule como un coulomb-volt.

en la escala submicroscópica, es más conveniente definir una unidad de energía llamada electrón voltio (eV), que es la energía dada a una carga fundamental acelerada a través de una diferencia de potencial de 1 V., En forma de ecuación,

un electrón acelerado a través de una diferencia de potencial de 1 V recibe una energía de 1 eV. Se deduce que un electrón acelerado a través de 50 V recibe 50 eV. Una diferencia de potencial de 100.000 V (100 kV) dará a un electrón una energía de 100.000 eV (100 keV), y así sucesivamente. Del mismo modo, un ion con una carga positiva doble acelerada a través de 100 V recibirá 200 eV de energía. Estas relaciones simples entre el voltaje de aceleración y las cargas de partículas hacen que el electrón voltio sea una unidad de energía simple y conveniente en tales circunstancias.,

El electrón voltio se emplea comúnmente en procesos submicroscópicos-las energías de Valencia química y las energías de enlace molecular y nuclear se encuentran entre las cantidades a menudo expresadas en electrón voltios. Por ejemplo, se requieren aproximadamente 5 eV de energía para romper ciertas moléculas orgánicas. Si un protón se acelera desde el reposo a través de una diferencia de potencial de 30 kV, se le da una energía de 30 kev (30.000 eV) y puede romper hasta 6000 de estas moléculas (30.000 EV ÷ 5 eV por molécula= 6000 moléculas)., Las energías de desintegración Nuclear son del orden de 1 MeV (1.000.000 eV) por evento y pueden, por lo tanto, producir daños biológicos significativos.

conservación de energía

la energía total de un sistema se conserva si no hay adición neta (o sustracción) de trabajo o transferencia de calor. Para las fuerzas conservadoras, como la fuerza electrostática, la conservación de la energía establece que la energía mecánica es una constante.

La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial de un sistema; es decir, KE+PE = constante. Una pérdida de PE de una partícula cargada se convierte en un aumento de su KE., Aquí PE es la energía potencial eléctrica. La conservación de la energía se indica en forma de ecuación como KE + PE = constante o KEi + PE i = KEf + PEf, donde i y f representan las condiciones inicial y final. Como hemos descubierto muchas veces antes, considerar la energía puede darnos ideas y facilitar la resolución de problemas.

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