La tensión eléctrica o diferencia de potencial
Esta magnitud que es llamada comúnmente voltaje se utiliza bastante cuando hablamos de energía eléctrica, pero antes de darle una definición veamos algunos conceptos para comprenderla de mejor manera.
Dos cargas eléctricas ejercen sus respectivos campos eléctricos, a su vez, si estás cargas se acercan a una distancia en la que sus respectivos campos eléctricos interactúan propiamente sobre la carga opuesta se generan fuerzas de atracción o repulsión entre las mismas, para determinar esta fuerza el físico francés Charles-Augustin de Coulomb estableció en el año 1785 la siguiente relación entre los distintos fenómenos que intervienen en el sistema:\[F=k\frac{q_1\cdot q_2}{r^{2}}\]Esto es conocido como la ley de Coulomb y determina que la fuerza \(F\) expresada en newtons es directamente proporcional al producto de las dos cargas \(q_1\) y \(q_2\) expresadas en culombios e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación entre las cargas eléctricas \(r\) expresada en metros, se usa la constante de proporcionalidad \(k\) conocida como constante de Coulomb para determinar la fuerza en el el medio en el que sitúan las cargas eléctricas, para el caso específico del vacío es aproximadamente de \(8,9875517873681764\times 10^{9}\ N\cdot m^{2}/C^{2}\), teniendo en cuenta los respectivos signos de las cargas eléctricas, al tener como resultado una fuerza negativa se trata de una fuerza de atracción entre las cargas, y por el contrario, al obtener como resultado una fuerza positiva se trata de una fuerza de repulsión entre las cargas.
Intensidad de campo eléctrico
Se define como la fuerza que puede ejercer un campo eléctrico sobre una carga eléctrica en un punto determinado por cada unidad de carga, puede expresarse de la siguiente manera:\[E= \frac{F}{q}\]donde la intensidad de campo eléctrico \(E\) expresada en newtons sobre culombios es directamente proporcional a la fuerza existente entre las cargas \(F\) expresada en newtons e inversamente proporcional a la carga puntual \(q\) sobre la que ejerce su fuerza el campo eléctrico expresada en culombios, si la carga puntual \(q\) es equivalente a un culombio se tendrá como resultado la fuerza que ejerce el campo eléctrico en un punto por cada culombio de carga. Al tener varias cargas ejerciendo sus respectivos campos eléctricos se tiene un campo resultante con una intensidad equivalente a la suma algebraica de las intensidades de los campos eléctricos individuales de cada campo.
Energía potencial eléctrica
Se define como la energía que obtiene una carga eléctrica al estar situada en un punto específico de un campo eléctrico. Teniendo dos cargas y fijando una de estas de manera que no pueda moverse, la otra carga será la que sufra un desplazamiento debido a la fuerza entre cargas y la intensidad que del campo eléctrico, cuando la carga móvil no se encuentre dentro del rango de influencia del campo eléctrico de la carga fija, la energía potencial eléctrica será nula. Si existe un agente externo que ejerza una fuerza sobre la carga móvil contraria a la que el campo eléctrico de la carga fija ejerce sobre esta, la carga móvil adquirirá una energía potencial dependiente del punto del campo eléctrico de la carga fija el el que se encuentre situada por acción del agente externo, esta se convertirá en movimiento una vez el agente externo deje de ejercer fuerza sobre la carga móvil. Esta energía se puede expresar de la siguiente manera haciendo una simplificación de todos los factores que influyen:\[U_e=k\frac{Q\cdot q}{r}\]donde la energía potencial eléctrica \(U_e\) de la carga puntual \(q\) expresada en julios es directamente proporcional al producto entre la carga generadora del campo \(Q\) expresada en culombios y la carga eléctrica puntual sobre la que se ejerce la fuerza del campo eléctrico \(q\) expresada en culombios, a su vez, es inversamente proporcional a la distancia de separación entre las cargas \(r\) expresada en metros. Al tener varias cargas ejerciendo su campos eléctricos la energía potencial eléctrica total del sistema es equivalente a la suma algebraica de la energía potencial entre cada pareja de cargas.
Potencial eléctrico y diferencia de potencial
Se define a el potencial eléctrico como la energía potencial eléctrica que puede adquirir una carga en un punto determinado de un campo eléctrico por cada unidad de carga, se puede expresar de la siguiente manera:\[V= \frac{U_e}{q}\]donde el potencial eléctrico \(V\) en un punto determinado de un campo eléctrico expresado en voltios es directamente a la energía potencial eléctrica \(U_e\) adquirida por una carga puntual \(q\) expresada en julios e inversamente proporcional a la carga \(q\) que adquiere la energía potencial, si la carga puntual \(q\) tiene un valor de un culombio se tendrá como resultado la energía potencial eléctrica en un punto del campo por cada culombio de carga. Al expresar \(U_e\) con relación al producto de cargas y distancia de separación se observa:\[V= \frac{k\frac{Q\cdot q}{r}}{q}= \frac{k\cdot Q\cdot q}{r\cdot q}= \frac{k\cdot Q}{r}\]Al tener varios campos eléctricos generados por distintas cargas el potencial eléctrico en un punto es equivalente a la suma algebraica del potencial eléctrico en dicho punto correspondiente a cada campo.
Finalmente se define la diferencia de potencial eléctrico o también conocida como el voltaje o tensión eléctrica como la diferencia entre el potencial eléctrico existente entre dos puntos del campo eléctrico, se expresa de la siguiente manera: \[\Delta V= V_B - V_A\]donde la diferencia de potencial eléctrico \(\Delta V\) expresada en voltios es equivalente a la diferencia existente entre los potenciales eléctricos de los puntos \(B\) y \(A\), \(V_B\) y \(V_A\) expresados en voltios, se define actualmente en el sistema internacional de unidades de la siguiente manera la intensidad de campo eléctrico:\[E = \frac{\Delta V}{r}\]donde la intensidad de campo eléctrico \(E\) expresada en voltios por metro es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre dos puntos \(\Delta V\) expresada en voltios e inversamente proporcional a la distancia que separa dichos puntos \(r\) expresada en metros. Se le llama fuerza electromotriz o igualmente voltaje a la diferencia de potencial existente entre los terminales de un transductor que realiza la conversión de diferentes tipos de energía a energía eléctrica.
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