Comprendiendo la energía potencial eléctrica y la energía cinética en sistemas de cargas

El orador introduce el concepto de energía potencial eléctrica al discutir el escenario de dos cargas, q1 y q2, que se repelen mutuamente debido a sus cargas similares. A medida que las cargas ganan energía cinética, el orador explica que esta energía proviene de la transformación de la energía potencial eléctrica. El símbolo 'U' se utiliza comúnmente para representar la energía potencial eléctrica.

El orador elabora sobre la conservación de la energía en un sistema de dos cargas, donde la disminución de la energía potencial eléctrica va acompañada de un aumento en la energía cinética. Este principio de conservación destaca que la energía total en el sistema permanece constante, con la energía cinética derivada de la energía potencial eléctrica.

El orador explica la fórmula para calcular la energía cinética de las cargas, que implica masa y velocidad. Además, se discute la fórmula para la energía potencial eléctrica entre cargas, que implica la constante eléctrica, las magnitudes de las cargas y la distancia entre ellas.

La fórmula para la energía potencial eléctrica en un sistema de cargas requiere al menos dos cargas para existir. Si solo hay una carga, no habría energía potencial eléctrica. La energía potencial eléctrica es escalar y tiene unidades de julios en el Sistema Internacional de Unidades. Es importante tener en cuenta que la energía potencial eléctrica es una cantidad escalar sin dirección, eliminando la necesidad de lidiar con componentes vectoriales.

Para resolver problemas utilizando la fórmula de la energía potencial eléctrica, considere un escenario donde las cargas comienzan en reposo, se separan por una cierta distancia y tienen masas conocidas. Por ejemplo, si las cargas con masas de un kilogramo cada una se separan por 12 centímetros, el principio de conservación de la energía se puede aplicar para determinar las velocidades finales de las cargas.

En un escenario donde las cargas se separan por 12 centímetros y una carga se mueve hacia la izquierda mientras que la otra se mueve hacia la derecha, se utiliza la conservación de la energía para igualar la energía potencial eléctrica inicial con la energía total final, que incluye la energía cinética. Al calcular las energías potenciales eléctricas inicial y final e incorporar la energía cinética, se pueden determinar las velocidades finales de las cargas.

Para calcular la energía en julios y las velocidades en metros por segundo, es necesario convertir de centímetros a metros. Por ejemplo, 3 centímetros son iguales a 0.03 metros, los cuales se dividen entre 100 ya que hay 100 centímetros en un metro.

Cuando la distancia entre dos cargas cambia de 3 centímetros a 12 centímetros, la fórmula de la energía potencial eléctrica sigue siendo la misma, con solo la distancia cambiando. La energía potencial eléctrica final se calcula en base a la nueva distancia.

La energía cinética total del sistema después de alcanzar una distancia de 12 centímetros se determina sumando la energía potencial eléctrica final y la energía cinética. Se realizan cálculos detallados para encontrar la energía total.

Al calcular la energía cinética para cargas en movimiento, es esencial tener en cuenta la energía cinética de ambas cargas. Esto garantiza una representación precisa de la energía total del sistema, considerando el movimiento de todas las cargas involucradas.

Al incorporar correctamente la energía cinética de ambas cargas, se determina con precisión la energía total del sistema. Este enfoque evita errores y proporciona una comprensión integral de la dinámica energética dentro del sistema.

Cargas con masa igual se moverán a la misma velocidad debido a las fuerzas iguales ejercidas entre ellas, según la tercera ley de Newton. Este principio asegura que cargas con masas diferentes pero fuerzas iguales tendrán la misma velocidad final.

Al tomar la raíz cuadrada de 1.8, se determina que la velocidad de ambas cargas es de 1.3 metros por segundo cuando están separadas por 12 centímetros. La energía potencial eléctrica se transforma en energía cinética, lo que resulta en una disminución de la energía potencial eléctrica.

Cuando las cargas que parten del reposo se separan por 12 centímetros y se les permite acercarse hasta que estén a 3 centímetros de distancia, surge la pregunta sobre la velocidad de las partículas en el punto de separación de 3 centímetros. La energía cinética inicial es cero en este escenario.

El cambio en el signo de q2 de positivo a negativo altera el escenario, afectando el cálculo de la energía potencial eléctrica. Incluir los signos de las cargas en la fórmula proporciona información sobre si la energía potencial eléctrica es positiva o negativa.

Como los cálculos involucran escalares en lugar de vectores, la inclusión de signos de carga en la fórmula no complica el análisis. Este enfoque simplifica la determinación de la energía potencial eléctrica sin la necesidad de descomponer vectores.

En el escenario en el que un sistema comienza con energía potencial menor que cero, puede parecer peculiar cómo aún se puede obtener energía cinética. Esta anomalía surge porque el término final de energía potencial eléctrica se vuelve aún más negativo. Por ejemplo, si el cálculo arroja -2.4 julios, sumar esto a la energía cinética final del sistema resulta en una ganancia neta de energía cinética. El sistema continúa adquiriendo energía cinética a medida que pierde energía potencial. Tener energía potencial negativa no impide que el sistema tenga menos energía potencial, aunque sea negativa, en comparación con el estado inicial. Esta dinámica es similar a conceptos financieros donde comenzar con deuda no impide gastar más o adquirir fondos negativos.

Analogizando la energía potencial negativa con la deuda financiera, la comparación aclara que acumular deuda significa mayor endeudamiento, reflejando el aumento de la energía potencial negativa del sistema para financiar la ganancia de energía cinética. Aunque no es una decisión financiera prudente, este fenómeno físico muestra al sistema 'tomando prestada' más energía potencial para fortalecer la energía cinética, similar a la imprudencia financiera que lleva a una mayor acumulación de deuda.

Para determinar la energía cinética del sistema, al sumar 2.4 julios a ambos lados de la ecuación se obtienen 1.8 julios en el lado izquierdo. Con ambas partículas en movimiento, la fórmula incorpora las masas y velocidades de las cargas, dando como resultado una velocidad final 'b' de 1.3 metros por segundo. Este cálculo subraya la relación entre la energía cinética y potencial en el sistema.

La fórmula para la energía potencial eléctrica entre dos cargas se expresa como k * q1 * q2 / r, donde k representa la constante de Coulomb, q1 y q2 denotan las cargas, y r significa la distancia entre las cargas. Esta fórmula de energía escalar permite la inclusión de los signos de las cargas, determinando si la energía potencial eléctrica es positiva o negativa. La capacidad de convertir la energía potencial eléctrica en energía cinética depende de asegurar una disminución adicional en la energía potencial eléctrica, permitiendo que el sistema haga la transición de manera efectiva.