Potencial Eléctrico - Ejercicios Resueltos
En este artículo hablaremos sobre la Energía Potencial Eléctrica, o Potencial Eléctrico, e incluso algunos autores manejan el término de Energía Potencial Electrostática, sea cualquiera de los términos, el estudio de este tema es de gran importancia para aprender por completo el término relacionado por el trabajo que realizan las cargas y cada una de las variables.
🤔 ¿Qué es la energía potencial eléctrica?
Considere un conductor electrizado positivamente, por ejemplo, con carga Q, fijo en un determinado lugar, libre de la influencia de otras cargas eléctricas. Ya sabemos que, en la región del espacio que envuelve ese cuerpo, existe un campo eléctrico generado por las cargas en él existentes.
Ahora, vamos a dejar en un punto P una carga de prueba q, también positiva, a una distancia d del conductor. Debido al campo eléctrico, la carga de prueba será repelida y se alejará del conductor, ganando velocidad y, consecuentemente, adquiriendo energía cinética (energía de movimiento). Observe que la carga q, si fuera negativa, sería atraída, y no repelida.
Por adquirir energía cinética, podemos concluir que, en el punto P, la carga de prueba q almacena una energía potencial denominada energía potencial electrostática o eléctrica, que vamos a simbolizar por Ep.
Esta energía potencial se transforma, en consecuencia, en energía cinética. Así, podemos decir que la carga Q del conductor produce un campo eléctrico que también puede ser descrito por una magnitud escalar denominada potencial electrostático (o eléctrico).
Este potencial electrostático en el punto P traduce la energía potencial eléctrica almacenada por unidad de carga colocada en esa ubicación.
El potencial, simbolizado por V, se define por la expresión:
En el SI (Sistema Internacional), la unidad de potencial eléctrico es el volt, de símbolo V, así denominado en homenaje a Alessandro Volta (1745-1827).
Como hemos visto:
Es decir:
⭐ Consideraciones del Potencial Eléctrico
- En realidad, la energía potencial es adquirida por el sistema Q y q. Si estas dos cargas pueden moverse, ellas obtendrán energía cinética a partir de esa energía potencial. Cuando, sin embargo, la carga Q es fija (lo que ocurre la mayoría de las veces), asociamos a la carga de prueba q toda la energía potencial del sistema.
- El potencial eléctrico (magnitud escalar) y el campo eléctrico (magnitud vectorial) son propiedades de cada punto, existiendo independientemente de que en él esté colocada una carga o no.
- El vector campo eléctrico E y el potencial eléctrico V son dos maneras de describir el campo eléctrico existente en una región del espacio. Algunas veces es más conveniente Usar el vector E y, en otras, el potencial V.
⚡ Potencial Eléctrico en un punto de una Carga
Considere el campo eléctrico generado por una partícula electrizada con carga Q. Vamos a colocar una carga de prueba q en un punto P de ese campo, a una distancia d de Q.
La energía potencial eléctrica almacenada en el sistema constituido por las dos cargas es dada por:
En dónde K es la constante electrostática del medio.
La demostración de esa expresión requiere conocimiento de cálculo diferencial e integral. Sin embargo, podemos utilizar una forma simplificada para esta demostración. Si se piensa que la carga Q se encuentra fija, la carga de prueba q, al desplazarse hasta el punto P, estará sujeta a una fuerza eléctrica de intensidad variable F, desplazándose una distancia r. Considerando el valor medio de la intensidad de la fuerza (F) como constante (Fm), el trabajo realizado por ella es responsable de la energía potencial adquirida por el sistema.
Es decir:
Como la carga q se moverá en dirección del mismo sentido de la fuerza eléctrica, entonces tenemos que no hay ángulo, por lo tanto θ = 0° , y nuestra fórmula quedaría así:
La fuerza no es mas que la Ley de Coulomb, entonces sustituyendo en la fuerza, obtenemos:
Si sabemos que la energía potencial, la podemos escribir como:
Igualando con la fórmula anterior de energía potencial eléctrica
Es decir:
El gráfico representativo del potencial en función de la distancia a la carga puntiforme generadora del campo eléctrico es una curva denominada hipérbola equilátera.
Observando los gráficos, se percibe que el potencial tiende a cero, cuando la distancia tiende al infinito. Esto ocurre tanto para la carga positiva y para la negativa. por lo tanto:
Debemos entender por "infinito" un lugar suficientemente alejado de la carga Q, de modo que sus influencias en otras cargas sean despreciables.
🔋 Potencial Eléctrico Creado por Varias Cargas Puntuales
Suponga un lugar del espacio donde se encuentran n partículas electrizadas. Consideremos, ahora, un punto A, sujeto a los n campos eléctricos creados por las cargas. Una vez que el potencial eléctrico es una magnitud escalar, tendremos, en el punto A, un potencial resultante de valor igual a la suma algebraica de los n potencial creados individualmente por las cargas.
Así, sería la expresión:
🔮 Superficies Equipotenciales
Las Superficies Equipotenciales son líneas (en el plano) o superficies (en el espacio) en las que el potencial, en todos los puntos, asume el mismo valor algebraico.
Las equipotenciales, en un campo eléctrico creado por una partícula electrizada y solitaria, son circunferencias (en el plano) o superficies esféricas (en el espacio). Tal afirmación es fácilmente constatable, bastando para ello analizar la expresión del potencial. Obsérvese que, para los mismos Q y K, el potencial asumirá valores iguales en los puntos del espacio equidistantes de la carga fuente:
Teniendo K y Q valores fijos, para distancias r iguales tenemos el mismo potencial V.
En la ilustración, vemos la representación de equipotenciales en un campo eléctrico creado por una carga puntual positiva. Observe que, si la carga fuera negativa, cambiaría sólo el sentido de las líneas de fuerza, que pasarían a ser de aproximación. Con respecto a las equipotenciales, nada se alteraría. En el espacio, en lugar de circunferencias concéntricas, tendríamos superficies esféricas concéntricas.
En un dipolo eléctrico, es decir, en el caso de dos partículas electrizadas con cargas del mismo módulo, pero de señales opuestas, las equipotenciales asumen el aspecto de la figura a seguir.
Las equipotenciales (líneas o superficies) son perpendiculares a las líneas de fuerza.
Como ya vimos, el vector campo eléctrico E es siempre tangente a la línea de fuerza, con sentido coincidente con la orientación de la línea. Así, cuando tenemos una superficie equipotencial, tanto la línea de fuerza como el vector campo eléctrico son perpendiculares a ella, en todos sus puntos, como ilustra la figura abajo.
En un campo eléctrico uniforme, las equipotenciales son rectas (en el plano) o superficies planas (en el espacio), también perpendiculares a las líneas de fuerza, como representa la figura
⭕ Diferencia de Potencial Eléctrico
Por lo general no es tan importante o relevante conocer el potencial eléctrico que existe en un determinado punto, sino más bien saber cual es la diferencia de potencial entre dos puntos y con ello calcular la cantidad de trabajo necesario para mover cargas eléctricas de un punto a otro.
Se tiene por fórmula matemática lo siguiente:
Dónde:
Vab = Diferencia de potencial entre los puntos A y B (expresada en Volts)
Wab = Trabajo realizado sobre una carga de prueba q que se desplaza de A a B (expresada en Joules)
q = Carga de prueba desplazada de A a B (expresada en Coulombs)
A menudo la diferencia de potencial se le llama por otros nombres, como por ejemplo: voltaje o tensión. Al igual que el potencial eléctrico, la diferencia de potencial es una magnitud escalar.
La diferencia de potencial se puede obtener muy fácil si se conoce el potencial de cada uno, de esta forma:
Si se quisiera saber cuál es el trabajo realizado por el campo eléctrico al mover una carga q desde un punto A al punto B, de la primera ecuación de diferencia de potencial eléctrico despejamos a Wab y nos queda:
🔸 Ejercicios Resueltos de Potencial Eléctrico
Solución:
Este es un problema básico y muy sencillo sobre el potencial eléctrico, pues entre los datos nos proporciona el trabajo a realizarse, así como la diferencia de potencial entre los dos puntos, por lo tanto solamente tenemos que aplicar la fórmula de potencial eléctrico y despejar a la variable de la carga "q".
Datos:
a) Obteniendo el valor de la carga
De la fórmula de potencial eléctrico
Despejando a "q" de la fórmula.
Sustituyendo los valores en la fórmula despejada:
Obtenemos un valor de 2.5x10^(-5) Coulombs
Solución:
En este problema no nos proporciona ningún dato del trabajo de mover la carga, pero si nos dan una energía potencial que en términos generales es también unidad de trabajo, adicionalmente nos dan el valor de la carga. Así que para obtener el valor del potencial eléctrico, tendremos que hacerlo de la siguiente manera.
Datos:
a) Obteniendo el valor del potencial eléctrico
Para este caso, utilizaremos la siguiente fórmula:
Sustituyendo nuestros datos en la fórmula:
Obteniendo así un valor de 7.14 Volts como diferencia de potencial.
Solución:
Cuando haya problemas de potencial eléctrico donde nos proporcionen distancias, es porque estamos hablando de la fórmula de potencial eléctrico en un punto, por lo que la fórmula será distinta a la de los ejercicios anteriores, por lo que partiendo de esto, podemos reunir los datos y comenzar a resolver.
Datos:
a) Obteniendo el potencial eléctrico
Para este tipo de casos, aplicaremos la siguiente fórmula:
Sustituyendo nuestros datos en la fórmula, obtenemos:
Obtenemos un potencial eléctrico de 423.52 Volts
Solución:
Este problema es mucho más complejo que los tres anteriores, por lo tanto requiere más análisis y observación. Si volvemos a leer el problema y observamos la imagen vamos a entender que los cálculos serán a través de la fórmula que aplicamos en el problema 3.
Datos:
a) Obtener la diferencia potencial de Vab
Debemos entender para poder calcular la diferencia de potencial entre los puntos A y el punto B, primero debemos calcularlos individualmente, así que comencemos con el punto A
➡ Sustituyendo los datos para el caso de A:
Obteniendo así un valor de 128.57x10^3 Volts
➡ Sustituyendo los datos para el caso de B:
Obteniendo así un valor de 90x10^3 Volts
Por lo tanto la diferencia de potencial de Vab, sería:
Un valor de 38.57x10^3 Volts
b) Obtener el trabajo realizado por el campo eléctrico
Para poder obtener el valor del trabajo del campo eléctrico de la carga Q para mover del punto A al punto B a la carga de prueba, es importante aplicar la siguiente fórmula:
Recordar que el valor de Q y q no son los mismos, el valor de q es el valor de la carga de prueba.
Sustituyendo nuestros datos en la fórmula:
Por lo que el valor del trabajo del campo eléctrico fue de 4.24x10^(-4) Joules
Solución:
Este problema es muy diferente a los cuatro anteriores, sin embargo tiene un parecido al problema 2. El problema nos proporciona dos cargas y una distancia entre ambas. Y nos pide la energía potencial que existe entre las cargas. Vamos a recoger los datos y a resolver.
Datos:
a) Obtener la energía potencial del sistema
Para obtener la energía potencial del sistema, aplicamos la siguiente fórmula:
Sustituyendo nuestros datos en la fórmula:
Por lo que la energía potencial del sistema es de 0.56 Joules.
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Determine la carga transportada desde un punto a otro
punto al realizarse un trabajo de 8×10 ̄3 Joules, si la
diferencia de potencial es de 9×102 Volts-
Usando la formula de trabajo que es igual a: T=Q(Va-Vb), despejando nos quedaría: Q=T/Va-Vb, con esto se sustituye y debe dar el valor de la carga en Couloms
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Una carga eléctrica está en un campo eléctrico uniforme de 25new/cb cuando se desplaza 4cm realiza 7cm trabajo de 5 joules. Calcular la diferencia de potencial y cuál es el valor de la carga ?
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Determinar el potencial eléctrico a una distancia de 15 cm
de una carga puntual de 5x10^-6 CAyuda plis...
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Con la formula de potencial electrico que dice: V=Kq/r, donde K es una constante del vacio que equivale a 9x10^9 Nm^2/C^2 y q es la carga que te dan entre r que equivale a la distancia. el resultado debe darte en Volts (v)
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La respuesta es 299.700 voltios
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Muy buena informacion. Gracias
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. Calculeeltrabajorealizadoenlatransferenciadeunacargade5CdelpuntoA(1,2,−4)alpuntoB(3,−5,6) en un campoel´ectrico E = ax +z2ay +2yzaz V/m. Cómo podría desarrollar ese tipo de ejercicio?
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la teoría de este tema es relativamente compleja ,pero aca nos la facilitan y ademas los ejercicios planteamos de forma didáctica y sencilla , ayuda a perder el miedo ...
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Muy buenos ejercicios. Muchas gracias
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Muy buenos artículos tanto para maestros como para alumnos de Física.
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Muy bueno el articulo...pueden ayudarme con este ejercicio? se tiene dos laminas metalicas paralelas colocadas una frente a la otra de area 500 cm2 con carga de 3.2x10-8C . calcular ....... a) la magnitud del campo electrico entre las placas b)la aceleracion con la cual se desplaza un electron que partio desde el reposo c)la separacion de las laminas si el electro tarda 1.2x10-8s en ir de una lamina hasta la otra.. Procedimientos.
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excelente me gusta esta pagina
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Tres cargas eléctricas están ubicada en los vértices de un triangulo como lo
muestra la figura. Hallar: a) el potencial eléctrico en el punto P, b) Energia
potencial eléctrica que adquiere una carga q= 2,5 μC, ubicada en el punto P.
Q1= 5μC, Q2= -2μC, Q3= 5μC.
Cuál sería el resultado?-
no se puede realizar debido a que no mostraste la figura
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Gracias por la informacion , bien explicada y con sus formulas , yo le añadiria un dibujo a cada ejercicio pero esta genial.
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un electrón se mueve entre dos puntos de un campo electrico uniforme cuya diferencia de potencial es 10000 voltios. calcular el trabajo realizado para moverse. alguien que me ayude
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excelente trabajo
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Nesecito una ayuda para resolver un ejercicio
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Que cantidad de trabajo se requiere para mover una carga de 3,6 uc 3,6 por 10 a la menos 6 aplicando un ddp de 95000 v
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Este es él ejercicio que potencial electronico existe en un campo electronico si este tuvo que efectuar un trabajo de A.0,17 joule para trasladar una carga de A. 17 UC A17 micro coulomb desde ese punto hasta él infinito
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Buenas noches:
Imparto las materias de matemáticas y Física a nivel medio superior.
La página regularmente la uso para mis clases tanto presenciales como en videoconferencias, y
es de gran ayuda para desarrollar mis trabajos académicos.
Sin mas por el momento, le agradezco su amable atención.Profesor: Victorino Ortega
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Una carga de 5μC está separada por 50 cm de otra carga de 4mC. ¿Cuál es la diferencia de potencial del sistema?
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Aqui tengo un ejercicio, que solicito ayuda para resolver:
En un medio de Er = 4 se coloca una carga de valor 56.10-5 C a una distancia de 28 cm de un punto A. Calculo el potencial eléctrico que genera esta carga.-
Prox necesito ayuda para este ejercicio
Una carga de 7uC separada por 4cm ¿cual es la energía potencial del sistema ?
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Qué pasa cuando la carga no está en el vacio?
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me pueden ayudar con este ejercicio porfavor urgente - Se tiene un condensador plano, el cual está constituido por armaduras de 0,5 m2
cada una y separadas entre sí 101,72.10-5
cm. Si el dieléctrico interpuesto entre las armaduras tiene un valor de 4,6, calcular la capacidad del condensador en
microfaradio. R. C = 2 μF.y este Cuando se carga un condensador se realizo un trabajo de 8x10ala-4 Joules. Calcular el valor de la carga electrica si su capacidad es de 4x10ala-12 microfaladio.
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Prox necesito ayuda para este ejercicio
Una carga de 7uC separada por 4cm cual es la energía potencial del sistema -
Profesor buen día necesito su ayuda para este ejercicio .
Una carga de 7uC separada por 4cm ¿cual es la energía potencial del sistema ? -
Profesor en el ejercicio número tres cuál magnitud es grande o mayor
Q o q.? -
Perdón profesor es en el problema 4
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datos formula
r=15cm=0.15m V=Kq/r
q=5x10^-6c
k=9.0x10^9Nm2/c2 desarrollo
V=(9.0x10^9NM2/C2)(5x10^-6C)/0.15
V=6,750NM/C=J/C=Volts -
Se tiene una esfera cuyo radio es de 3 m determinar su carga sabiendo que su potencial es de 60 stv
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Este es un buen blog que recomendaré a todos mis compis de clase. Me ha ayudado mucho, gracias
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Dos cargas electricas, Q1 y Q2, se encuentran situadas en el vacío a una distancia de 2m. Si la intensidad del campo eléctrico en el punto medio entre ambas cargas es nulo y el potencial en dicho punto es de 3.6×10^4 V, calculs el valor de las cargas Q1 y Q2.
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Pueden subir mas ejercicios, porfa
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Me gustaría aprender ya que estoy estudiando
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