Energía potencial electrostática. Condensadores
Energía potencial de una carga puntual
Al campo electrostático asociado a una carga eléctrica puntual se asocia una energía potencial electrostática, que se define como el trabajo que hay que realizar para mover una carga desde una posición dentro del campo hasta el infinito. La energía potencial electrostática se expresa como:
siendo q la carga que crea el campo, q` la carga sometida a su acción, r la distancia que las separa y e0 la permitividad eléctrica del vacío.
El trabajo y la energía potencial electrostática son cantidades aditivas. Así, en un sistema de cargas eléctricas puntuales, la energía potencial total se calcula como la suma de las energías potenciales individuales correspondientes a cada carga.
Esquema de un sistema de cargas puntuales.
Potencial electrostático
Los campos de fuerzas centrales, como el electrostático, pueden describirse por una magnitud escalar característica denominada potencial. Se define así el potencial electrostático en un punto de un campo eléctrico como la energía potencial de carga unidad situada en dicho punto. Matemáticamente:
Superficies equipotenciales
En los campos electrostáticos existen conjuntos de puntos que poseen un mismo potencial electrostático. Tales conjuntos se denominan superficies equipotenciales, y su visión gráfica ofrece una idea rápida de la naturaleza del campo.
Superficies equipotenciales. En (a) las creadas por dos cargas del mismo signo. En (b) las engendradas por dos cargas de signo distinto.
Capacidad de un conductor
La relación entre la carga (Q) de un material conductor aislado y su potencial electrostático (V) se conoce por capacidad (C) del conductor, y posee un valor característico que depende de su composición y propiedades geométricas. La fórmula de la capacidad es:
Condensadores
La capacidad de almacenamiento de carga es una de las cualidades básicas de los condensadores. En su diseño más sencillo, estos dispositivos están constituidos por dos láminas conductoras, llamadas armaduras, que poseen cargas iguales y signos contrarios, entre las que se interpone un medio no conductor (dieléctrico). La capacidad de un condensador se define como:
Los condensadores se usan para múltiples fines: almacenar energía eléctrica, crear campos eléctricos de intensidad especificada, formar circuitos eléctricos y electrónicos, etcétera.
Trabajo y signo de la energía potencial
De la fórmula de la energía potencial electrostática se deduce que cuando las dos cargas implicadas tienen igual signo (fuerzas repulsivas), la energía es positiva y para alejar la carga hasta el infinito no se requiere aplicar un trabajo externo. En cambio, para acercar las cargas habría que aportar energía (o trabajo).
Si las cargas son de signo distinto (fuerzas atractivas), se precisa un trabajo externo para alejarlas mutuamente.
Unidades de energía, trabajo y potencial
Dada la equivalencia entre energía y trabajo, la energía potencial electrostática se mide en julios (Sistema Internacional) y en ergios (sistema CGS).
El potencial electrostático se define como el trabajo desarrollado por unidad de carga, y su unidad en el Sistema Internacional es el voltio (símbolo V). Un voltio (V) es igual a un julio (J) dividido por un culombio (C).
Unidad de capacidad
En el Sistema Internacional, la capacidad de los condensadores se mide en faradios (símbolo F). Un faradio es igual a un voltio dividido por un culombio (1 F = 1 V / 1 C). En los circuitos eléctricos y condensadores reales, el faradio es una unidad muy grande. Por ello, se suelen usar submúltiplos como el microfaradio (1 mF = 10-6 F), el nanofaradio (1 nF = 10-9 F) y el picofaradio (1 pF = 10-12 F).
La botella de Leyden
El condensador fue descubierto de forma un tanto accidental. En 1746, mientras experimentaba con artefactos eléctricos en su laboratorio, el profesor Musschenbroek dispuso una lámina metálica alrededor de una botella de vidrio e introdujo un alambre en su interior, atravesando el cuello. Al retirar el alambre después de someter la botella a un campo eléctrico intenso, el ayudante del profesor recibió una fuerte descarga: la carga eléctrica se había almacenado dentro de la botella.