Los libros de texto dicen que en un condensador o en un inductor, la energía se almacena en un campo eléctrico o magnético. ¿Cómo se puede almacenar energía en un campo? Matemáticamente se puede demostrar, pero no soy capaz de sentir lo que significa físicamente.
Respuestas
¿Demasiados anuncios?Energía almacenada en los campos = la energía total necesaria para reunir los campos
Se necesita energía para llevar las cargas a posiciones específicas para ensamblar el campo, y cuando se suelta todo, las cargas salen volando. La energía que almacenaste en el campo se convierte en la energía cinética de las cargas una vez que las sueltas.
Un campo es un concepto difícil de entender y, además, asignar energía a un campo lo hace más difícil.
En algunas situaciones es más fácil considerar que la energía está almacenada en otro lugar que en un campo porque se puede visualizar un enfoque mucho más fácil que otro.
Tienes un sistema de dos masas y separas las dos masas y el resultado neto es una ganancia de energía potencial gravitatoria.
La pregunta es: "¿Dónde se almacena esa energía?".
La respuesta es que se almacena en el sistema de dos masas.
Cuando la pregunta se convierte en "¿En qué parte del sistema de las dos masas se almacena la energía?" la pregunta es más difícil de responder.
Creo que lo que se pregunta es cuál es la razón para decir que se almacena en el campo.
Creo que la mejor respuesta que puedo dar es que como parte de una teoría funciona.
A partir de la idea de que un campo es un almacén de energía se pueden hacer muchas predicciones que se demuestran correctas cuando se realizan experimentos.
¿Quizás la idea de que un campo tiene energía es un paso adelante como teoría?
Sabrás que la energía potencial eléctrica $U$ almacenado en un condensador viene dado por la ecuación $U = \frac 12CV^2$ .
El origen de esta energía potencial se encuentra en algunos ensamblajes de cargas positivas y negativas en dos placas conductoras eléctricamente aisladas.
Esta descripción es probablemente muy clara porque sabes que para separar las cargas positivas y negativas hay que hacer un trabajo y ese trabajo aumenta la energía potencial eléctrica del sistema de cargas.
Sabes que la energía potencial eléctrica está ahí porque si conectas una resistencia entre las dos placas fluirá una corriente y se disipará calor en la resistencia.
Hay un cambio de energía potencial eléctrica a calor.
Sin embargo, hay otra forma de describir esta situación utilizando la idea de que la energía potencial eléctrica se almacena en el campo eléctrico que se produjo cuando se cargó el condensador.
Para un condensador ideal de placas paralelas, la capacitancia $C = \dfrac{\epsilon_{\rm o} A}{d}$ donde $d$ es la separación de las placas y $A$ es el área de las placas.
Si hay una diferencia de potencial entre las placas, $V$ entonces el campo eléctrico uniforme entre las placas $E = \dfrac V d$ .
Sustituyendo por $V$ en la ecuación de la energía almacenada da $U = \frac 12 \epsilon_{\rm o} E^2 \cdot Ad$ .
Ahora $Ad$ es el volumen del espacio entre las placas y así $\frac 12 \epsilon_{\rm o} E^2$ es la energía almacenada en el espacio por unidad de volumen y qué hay en ese espacio?
Un campo eléctrico.
Este es un resultado que puede derivarse de las ecuaciones de Maxwell.
Ahora, en cierto sentido, aquí es donde hay que dejar la imagen fácil de imaginar de la separación de cargas que produce un almacén de energía potencial eléctrica y quizás empezar a creer que "la energía se almacena en un campo" es una buena idea.
Has aprendido que una onda de electroimán comprende un campo eléctrico y un campo magnético que oscilan mutuamente en ángulo recto.
Al ser una onda, lleva energía y, por lo tanto, una onda electromagnética debe tener energía asociada.
¿Dónde se almacena esa energía?
Pues debe ser parte de la onda y a partir de las ecuaciones de Maxwell se puede demostrar que lo es $\frac 12 \epsilon_{\rm o} E^2$ por unidad de volumen para la parte del campo eléctrico y la misma cantidad para la parte del campo magnético.
Así, la energía propagada por la onda se "almacena" en los campos eléctrico y magnético.
¿Es esta una prueba suficiente de que un campo eléctrico es un almacén de energía?
Para crear la onda electromagnética hubo que realizar un trabajo y luego esa energía se transfiere en el campo eléctrico y magnético de la onda.
Es una idea difícil de entender porque parece que no hay nada y, sin embargo, esa nada (los campos eléctricos y magnéticos) tiene energía.
¿Cómo se puede almacenar energía en un campo?
Pues bien, los campos no son ficciones de "cuento de hadas" que sólo se utilizan para calcular fuerzas.
Son reales; tienen momento, tensión, energía; interactúan con la materia, las cargas; intercambian energía y momento con ellas.
La conservación de la energía es un proceso local que evidentemente implica que el campo electromagnético entre dos cargas que interactúan debe mediar el intercambio de energía y momento entre las cargas y por lo tanto debe tener densidad de energía y momento.