Consideremos una carga positiva en un punto del espacio. Ahora, si queremos llevar otra carga positiva a un punto dentro del campo eléctrico de la primera carga, entonces tenemos que hacer un trabajo contra la fuerza electrostática de la primera carga y ese trabajo se almacena como energía potencial en el sistema.
Pero si pensamos que hay una carga negativa cerca, entonces no tenemos que realizar ningún trabajo para llevar la carga positiva desde el infinito hasta ese punto en el campo eléctrico porque aquí el trabajo lo realiza el sistema que pierde su energía potencial. Entonces, por definición, la energía potencial del sistema es cero, cuando la distancia entre dos cargas es infinita, y cuando hemos llevado la carga negativa a ese punto en el campo eléctrico de la primera carga, la energía potencial es negativa. Pero, ¿cómo puede la energía ser negativa?
En el caso de la tierra usamos esta fórmula para determinar la energía potencial de una partícula:
Porque sabemos que si queremos enviar la partícula unidades arriba de la tierra, tenemos que hacer algo de trabajo y ese trabajo se almacena como energía potencial.
Ahora, para las cargas, si mantenemos la carga negativa en la tierra y la carga positiva como partícula, entonces tenemos que realizar algún trabajo para quitar lo positivo de lo negativo y ese trabajo debe almacenarse como energía potencial. Entonces conseguimos que la energía potencial máxima sea infinita y no cero, y la energía potencial nunca sería negativa en ningún punto.
Pero, ¿cómo puede la energía ser negativa?
Su pregunta no está del todo clara para mí, pero ¿se entiende correctamente que esencialmente está preguntando por qué la energía potencial eléctrica puede ser negativa?
La respuesta es que el valor de la energía potencial no importa . Sólo importa la diferencia. Si compara la cantidad de energía potencial almacenada con otra cantidad de energía potencial, entonces podría haber más o menos energía almacenada. Si es más, entonces positivo; si es menor, entonces negativo. El signo solo le dice cuánta energía está almacenada en comparación o en relación con algún nivel de referencia que se ha elegido más o menos al azar.
Y el nivel de referencia en el caso de las cargas eléctricas suele elegirse como la energía potencial almacenada cuando las cargas están infinitamente separadas. No sabemos cuál es el nivel de energía para tal situación, así que simplemente lo llamamos cero .
Si dos cargas positivas están infinitamente separadas, llamamos cero al nivel de energía potencial. Muévalas más juntas y la energía potencial de este sistema de dos partículas cambia . A este cambio lo podemos llamar positivo , ¿por qué no? Si los suelta, las cargas se alejarán unas de otras nuevamente, de regreso al nivel de energía original de cero.
Si una carga positiva y una negativa están infinitamente separadas, todavía llamamos cero al nivel de energía potencial. Muévalos más cerca uno del otro y la energía potencial cambia de nuevo. Pero esta vez cambia "de manera diferente". Porque si sueltas, no se separan más; prefieren moverse aún más juntos . Es algo opuesto a la situación anterior. Entonces, llamaremos a este nivel de energía potencial negativo en su lugar.
Por lo tanto, la energía negativa no es nada especial. Simplemente significa " menos de lo que llamamos cero ". Y cuando un nivel de energía es menor en una situación que en otra situación, simplemente significa que el sistema quiere estar en esa situación anterior, quiere estar en el estado de energía más bajo posible.
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