Energía Potencial Eléctrica

[Reney Shammo]

Laenerga potencial electrosttica o energa potencial elctrica es un tipo de energa potencial (medida en julios en el S.I.) que resulta de la fuerza de Coulomb y est asociada a la configuracin particular de un conjunto de cargas puntuales en un sistema definido. No se debe confundir con el potencial elctrico (medido en voltios). El trmino "energa potencial elctrica" se suele emplear para describir la energa potencial en sistemas con campos elctricos que varan con el tiempo, mientras que el trmino "Energa potencial electrosttica" hace referencia a la energa potencial en sistemas con campos elctricos constantes en el tiempo.

La potencia elctrica es la proporcin por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energa elctrica es transferida por un circuito elctrico, es decir, la cantidad de energa elctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt (W).

Cuando una corriente elctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energa al hacer un trabajo mecnico o termodinmico. Los dispositivos convierten la energa elctrica de muchas maneras tiles, como calor, luz (lmpara incandescente), movimiento (motor elctrico), sonido (altavoz) o procesos qumicos. La electricidad se puede producir mecnica o qumicamente por la generacin de energa elctrica, o tambin por la transformacin de la luz en las clulas fotoelctricas. Por ltimo, se puede almacenar qumicamente en bateras.

La tensin elctrica se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo elctrico sobre una partcula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. La tensin es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial elctrico entre dos puntos del campo elctrico.

Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia elctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a travs del dispositivo. Por esta razn la potencia es proporcional a la corriente y a la tensin.Esto es,

Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia elctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una funcin de los valores eficaces o valores cuadrticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a travs del dispositivo.

La potencia compleja de un circuito elctrico de corriente alterna (cuya magnitud se conoce como potencia aparente y se identifica con la letra S), es la suma (vectorial) de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo (conocida como potencia promedio, activa o real, que se designa con la letra P y se mide en vatios (W)) y la potencia utilizada para la formacin de los campos elctrico y magntico de sus componentes, que fluctuar entre estos componentes y la fuente de energa (conocida como potencia reactiva, que se identifica con la letra Q y se mide en voltiamperios reactivos (VAr)). Esto significa que la potencia aparente representa la potencia total desarrollada en un circuito con impedancia Z. La relacin entre todas las potencias aludidas es:

Esta potencia aparente (S) no es realmente la "til", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y seala que la red de alimentacin de un circuito no solo ha de satisfacer la energa consumida por los elementos resistivos, sino que tambin ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se mide en voltiamperios (VA), aunque para aludir a grandes cantidades de potencia aparente lo ms frecuente es utilizar como unidad de medida el kilovoltiamperio (kVA).

Es la potencia capaz de transformar la energa elctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos elctricos existentes convierten la energa elctrica en otras formas de energa tales como: mecnica, lumnica, trmica, qumica, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos y, en consecuencia, cuando se habla de demanda elctrica, es esta potencia la que se utiliza para determinar dicha demanda.

Esta potencia no se consume ni se genera en el sentido estricto (el uso de los trminos "potencia reactiva generada" y/o "potencia reactiva consumida" es una convencin) y en circuitos lineales solo aparece cuando existen bobinas o condensadores. Por ende, es toda aquella potencia desarrollada en circuitos inductivos.

La suma algebraica de dichas sumas positivas y negativas da una potencia resultante nula, fenmeno que se explica conceptualmente considerando que durante las alternancias positivas el circuito toma energa de la red para crear el campo magntico en la bobina; mientras en las alternancias negativas el circuito la devuelve, y a dicha devolucin se debe la desaparicin temporaria del campo magntico.Esta energa que va y vuelve de la red constantemente no produce trabajo y recibe el nombre de "energa oscilante", correspondiendo a la potencia que vara entre cero y el valor (Umx*Imx)/2 tanto en sentido positivo como en negativo.

La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo y se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltiamperios reactivos (var) y se designa con la letra Q.

Conceptualmente, la potencia reactiva es una potencia "de ida y vuelta"; es decir, cuando hay elementos que almacenan energa (condensadores y bobinas), estos estn permanentemente almacenando y devolviendo la energa. El problema es que en "el viaje" se pierde algo. En un smil, como si un autobs de 50 plazas siempre estuvieran ocupadas 30 y slo 20 personas suben y bajan. El autobs resulta de 20 plazas, pero consume como uno de 50. Esas prdidas del viaje son las que deben evitarse compensando la potencia reactiva inductiva con la capacitiva, lo ms cercano al consumo. As lograremos que no viaje esa energa y no se pierda en el camino nada. A eso se llama compensacin del factor de potencia, que debe ser lo ms cercano a 1 que se pueda.

Las alternancias de dicha onda encierran reas positivas correspondientes a los perodos en que las placas del capacitor reciben la carga de la red; significando los perodos negativos el momento de descarga del capacitor, que es cuando se devuelve a la red la totalidad de la energa recibida.En esta potencia tambin la suma algebraica de las reas positivas y negativas es nula dado que dicha reas son de igual y opuesto valor. La potencia activa vale cero, y por existir como nico factor de oposicin la reactancia capacitiva del circuito la intensidad eficaz que recorre al mismo vale:

Para calcular la potencia de algunos tipos de equipos que trabajan con corriente alterna, es necesario tener en cuenta tambin el valor del factor de potencia o coseno de phi ( c o s ϕ \displaystyle cos\phi ) que poseen. En ese caso se encuentran los equipos que trabajan con carga reactiva o inductiva, es decir, aquellos aparatos que para funcionar utilizan una o ms bobinas o enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo, con los motores elctricos, o tambin con los aparatos de aire acondicionado o los tubos fluorescentes.

La representacin matemtica de la potencia activa en un sistema trifsico equilibrado (las tres tensiones de fase tienen idntico valor y las tres intensidades de fase tambin coinciden) est dada por la ecuacin:

Estuvieron dirigidas a explicar los efectos de las componentes armnicas sobre los sistemas elctricos y los efectos de las asimetras en la potencia elctrica . Actualmente, se demuestra la existencia de una potencia de distorsin como resultado de lo anterior que resulta ortogonal al resto de las potencias.

El trmino de potencia puede ser una cantidad fija que la compaa distribuidora elctrica cobra al usuario en la factura elctrica por la potencia contratada, con independencia de la energa consumida. El trmino de facturacin de potencia resulta de multiplicar la potencia a facturar en cada perodo tarifario por el trmino de potencia correspondiente.Existe una modalidad en la que la limitacin de potencia desaparece durante el horario nocturno.

Al igual que cuando hablamos de la energa potencial gravitatoria estudiamos que un cuerpo que se encuentra a una determinada altura de la superficie de la Tierra adquiere una determinada cantidad de energa potencial provocada por la accin de la fuerza gravitatoria, un cuerpo cargado que sufre la accin de una fuerza elctrica adquiere energa potencial elctrica (Ep).

Esta expresin determina que slo es posible calcular diferencias de energa (ΔEp) y la energa potencial en un punto es siempre un valor relativo con respecto a otro, sin embargo para hablar de un valor absoluto se utiliza como referencia un punto situado en el infinito. Dado que a esa distancia no existe fuerza elctrica que atraiga o repela las cargas, la energa potencial elctrica all es nula. Por tanto, aplicando esta consideracin obtenemos que:

La energa potencial elctrica de una carga situada en una posicin A equivale al trabajo realizado por una fuerza externa para trasladar dicha carga desde el infinito hasta dicha posicin A, o dicho de otra forma, el opuesto del trabajo realizado por la fuerza elctrica para llevarla desde el infinito hasta A.

Como ya hablamos en el apartado de trabajo elctrico, este es el trabajo que realizan las fuerzas elctricas y no debemos confundirlo con el trabajo que puede realizar una fuerza externa en contra de las fuerzas elctricas para intentar aproximar dos cuerpos cargados con el mismo signo (que apriori intentarn separarse) o alejar dos cuerpos cargados con distinto signo (que apriori intentarn unirse). El trabajo que realiza dicha fuerza (Wf) se relaciona con el trabajo elctrico (We) y la energa potencial elctrica de la siguiente forma :

Imagina dos cargas fijas, una positiva y otra negativa. En principio, dado que se tratan de cargas con distinto signo en cada una de ellas aparecer una fuerza de atraccin hacia la otra. Imagina nuevamente que una de ellas se encuentra en un punto A y que podemos cogerla con la mano y situarla hasta un punto B ms alejado. Al hacer esto:

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