Potencial e Energia Elétricos

O potencial eletrostático é o trabalho por unidade de carga necessário para trazer uma carga de um ponto de referência, e armazena a energia das configurações de carga.

Definition

O potencial elétrico em um ponto é a energia potencial eletrostática por unidade de carga de uma carga de teste colocada ali, definida até uma constante aditiva; o campo elétrico é menos o seu gradiente, e a energia de uma configuração é o trabalho necessário para montá-la.

Scope

Este tópico aborda o potencial eletrostático escalar, sua relação com o campo através do gradiente, superfícies equipotenciais, o potencial de expansões multipolares e a energia armazenada em distribuições de carga e no próprio campo. Inclui a interpretação trabalho-energia da diferença de potencial (tensão) e da densidade de energia do campo eletrostático.

Core questions

• Como o potencial é obtido a partir do campo, e o campo a partir do potencial?
• Quanta energia é armazenada na montagem de uma distribuição de carga?
• Onde reside a energia eletrostática — nas cargas ou no campo?

Key concepts

• potencial escalar
• diferença de potencial
• tensão
• superfície equipotencial
• gradiente
• densidade de energia
• expansão multipolar

Key theories

Potencial como uma integral de linha independente do caminho

Como o campo eletrostático é conservativo (livre de rotacional), o trabalho realizado ao mover uma carga entre dois pontos é independente do caminho e define um potencial escalar, com o campo igual ao seu gradiente negativo.

Densidade de energia do campo

A energia de uma configuração pode ser expressa como uma integral do campo ao quadrado sobre todo o espaço, apoiando a interpretação de que a energia é armazenada no campo com uma densidade local definida que se mostra essencial quando os campos irradiam.

Clinical relevance

Os conceitos de potencial e tensão são fundamentais para a eletroquímica, neurofisiologia (potenciais de membrana), eletrocardiografia e o funcionamento de todos os sistemas eletrônicos e de energia.

History

A função potencial entrou na física através do trabalho de Poisson e Green no início do século XIX sobre a teoria da eletricidade, baseando-se no potencial de Lagrange na gravitação. A invenção da bateria por Volta forneceu uma fonte prática de diferença de potencial constante, e o volt foi posteriormente nomeado em sua homenagem.

Key figures

• Siméon Denis Poisson
• George Green
• Alessandro Volta

Seminal works

• jackson1998
• griffiths2017

Frequently asked questions

Por que o potencial elétrico é definido apenas até uma constante?

Apenas as diferenças de potencial têm significado físico porque correspondem ao trabalho realizado; o zero do potencial é uma questão de convenção, frequentemente escolhido no infinito ou em um condutor aterrado.

A energia eletrostática é armazenada nas cargas ou no campo?

Ambas as descrições fornecem a mesma energia total, mas expressar a energia como uma integral do quadrado do campo sobre o espaço fornece uma densidade de energia consistente e localmente definida que se mostra essencial quando os campos irradiam.