CAMPO ELECTRICO, LINEAS DE CAMPO ELECTRICO Y POTENCIAL ELECTRICO CAMPO ELECTRICO
El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre entr e cuerpos y sistemas sist emas con propiedades de naturaleza eléctrica.1 Matemáticamente se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica eléctrica
dada por la siguiente siguiente ecuación:
1) LINEAS DE CAMPO ELECTRICO
Es posible conseguir una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado. Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactúantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza. Características de las Líneas de Campo Eléctrico
E es tangencial a la línea. Nacen en las cargas positivas (o en infinito) y mueren en las cargas negativas (o en infinito). Nunca se Cruzan. La magnitud de E es inve inversamente rsamente proporcional a la densidad de líneas. (Líneas cercanas implica mucho campo.) El número de líneas que nacen o mueren en una carga es proporcional a la magnitud de la carga Reglas
1. Las líneas de campo eléctrico empiezan en las cargas positivas (o en el infinito) y terminan en las cargas negativas (o en el infinito). Las cargas positivas se denominan por esta razón fuentes de campo, y las cargas negativas son sumideros de campo. 2. Las líneas deben dibujarse espaciadas uniformemente entrando a o saliendo de cada carga puntual. 3. El número de líneas entrantes o salientes de una carga negativa o positiva debe ser proporcional a la magnitud de la carga. 4. La densidad de líneas (número de líneas por unidad de área perpendicular a las líneas) en cualquier punto debe ser proporcional al valor del campo en ese punto.
5.
A grandes distancias de un sistema de cargas dotado de carga neta las líneas de campo deben dibujarse radiales e igualmente espaciadas, como si proviniesen de un único punto donde estuviese concentrada la carga neta del sistema. 6. Dos líneas de campo no pueden cruzarse, puesto que si lo hicieran esto indicaría que en el punto de intersección el campo eléctrico tiene dos direcciones diferentes (recordemos que la dirección del campo en cada punto es tangente a la línea de campo que pasa por allí).
Un dipolo eléctrico es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí.
Existen ciertos casos como por ejemplo:
Aunque estas son dos cargas puntiformes, esto no es un verdadero dipolo porque no tienen signos opuestos como requiere la definición del término dipolo eléctrico. En este caso las cargas tienen igual magnitud como en un verdadero dipolo. Fíjese que esto está relacionado con el hecho de que hay igual número de líneas saliendo de cada carga. En este caso de cargas iguales, el campo entre las cargas es pequeño. CAMPO ELECTRICO UNIFORME
Consideremos dos placas paralelas, separadas a una distancia pequeña comparada con su dimensión, supongamos que se encuentran uniformemente electrizadas con cargas de una misma magnitud y signo contrario. Si colocamos una carga de prueba (positiva) q en un punto P situado entre las placas, tal carga quedara sujeta a la acción de la fuerza F debida al campo eléctrico originado por las placas en el espacio que existe entre ellas, La fuerza es perpendicular a las placas y está orientada, de la placa positiva a la negativa. Al desplazar la carga q prueba q hacia otro punto cualquiera entre las placas (P2), se observa que sobre q actuara una fuerza de la misma magnitud, la misma dirección y el mismo sentido que la que actuaba cuando q se hallaba en P. Concluimos entonces que el campo eléctrico existente entre estas placas tiene, en cualquier punto el
mismo valor y la misma dilección y sentido. Un campo eléctrico como este se denomina campo eléctrico uniforme, y se puede representar por un vector E como el que se indica en el punto P
.
POTENCIAL ELECTRICO
Dos cargas en la misma posición tienen dos veces más energía potencial que una sola; tres cargas tendrán el triple de energía potencial; un grupo de diez cargas tendrán diez veces más energía potencial, y así sucesivamente. En vez de ocuparnos de la energía potencial total de un grupo de cargas, es conveniente, cuando se trabaja con electricidad, considerar la energía potencial eléctrica por unidad de carga. La energía potencial eléctrica por unidad de carga es el cociente de la energía potencial eléctrica total entre la cantidad de carga. En cualquier punto la energía potencial por unidad de carga es la misma, cualquiera que sea la cantidad de carga. Por ejemplo, un objeto con diez unidades de carga que se encuentra en un punto específico tiene diez veces más energía que un objeto con una sola unidad de carga, pero como también tiene diez veces más carga, la energía potencial por unidad de carga es la misma. El concepto de energía potencial por unidad de carga recibe un nombre especial: potencial eléctrico. La unidad del Sistema Internacional que mide el potencial eléctrico es el volt Como el potencial eléctrico se mide en volts, se le suele llamar voltaje, el potencial se define como el trabajo realizado para trasladar un objeto de un punto a otro. En particular, para el caso eléctrico. Definimos el potencial eléctrico del punto A al punto B, como el trabajo realizado para trasladar una carga positiva unitaria q de un punto a otro, desde B hasta A.
Si consideramos que hemos construido la noción de potencial eléctrico en base a la construcción de un campo conservativo, esto del hecho de suponer una fuerza que tienda a contrarrestar la fuerza del campo para mantener la partícula cargada en equilibrio estático. Analicemos el potencial eléctrico necesario para desplazar una carga puntual desde un punto B a un punto A. Recordemos primero que el campo de una carga puntual esta determinado en forma radial como se muestra a continuación, sin embargo, recordemos que el hecho de haber tomado un campo conservativo le resta importancia a ese hecho.
Sustituyendo en la ecuación que define al campo eléctrico tendríamos:
Obsérvese que se ha tomado el diferencial de línea de las coordenadas esféricas.
Toda carga eléctrica, ya sea positiva o negativa, posee una energía potencial eléctrica debido a la capacidad que tiene para realizar trabajo sobre otras cargas. Cuando una carga es positiva se dice que tiene un potencial positivo, si es negativa su potencial es igualmente negativo. No obstante, existen muchos casos en que ésta regla no se cumple, por lo que es preferible definir los potenciales positivo y negativo de la siguiente manera: un potencial es positivo, si al conectar un cuerpo a tierra por medio de un conductor eléctrico, los electrones fluyen desde el suelo al cuerpo. Será negativo, si al conectarlo a tierra los electrones fluyen en dirección inversa. Una carga positiva dentro de un campo eléctrico, tiene tendencia a desplazarse de los puntos donde el potencial eléctrico es mayor hacia los puntos donde éste es menor. Si la carga es negativa la tendencia de su movimiento es de los puntos de menor potencial eléctrico a los puntos de mayor potencial. Por definición: el potencial eléctrico V en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo T que se necesita realizar para transportar a la unidad de carga positiva q desde el potencial cero hasta el punto considerado. Por tanto:
Donde: V = potencial eléctrico en el punto considerado, medido en volts (V) T = trabajo realizado, en joules (J) q = carga transportada, en coulombs (C) El potencial eléctrico es una magnitud escalar como lo es cualquier clase de energía, a diferencia del campo eléctrico que como vimos, es una magnitud vectorial; se define también como la energía potencial que posee la unidad de carga eléctrica positiva en el punto considerado:
Donde: V = potencial eléctrico en volts (V) EP = energía potencial en joules (J) q = carga eléctrica en coulombs (C)
Por tanto, cuando existe un potencial de un volt en un punto de un campo eléctrico significa que, una carga de un coulomb que se encuentre en ese punto tendrá una energíapotencial de un joule. Despejando la energía potencial de la ecuación anterior tenemos:
Esta ecuación nos señala que la energía potencial es igual al producto de la carga eléctrica por el potencial eléctrico. EJEMPLOS Ejemplo 1
Para transportar una carga de 5 C desde el suelo hasta la superficie de una esfera cargada se realiza un trabajo de 60 x 10- 6 J. ¿Cuál es el valor del potencial eléctrico de la esfera? Datos Fórmula -6 q = 5 x 10 C V = T/q -6 T = 60 x 10 J V =? Substitución y Resultado V = 60 x 10- 6 J/ 5 x 10- 6 C = 12 J / C = 12 V Ejemplo 2
Una carga de 7 mC se coloca en un determinado punto de un campo eléctrico y adquiere una energía potencial de 63 x 10- 6 J. ¿Cuál es el valor del potencial eléctrico en ese punto? Datos Fórmula -6 q = 7 x 10 C V = EP/q -6 EP = 63 x 10 J V=? Substitución y Resultado V = 63 x 10- 6 J/7 x 10- 6 C = 9 V Ejemplo 3
Si se realiza un trabajo de 80 joules para mover 16 coulombs de carga desde un punto a otro, en un campo eléctrico, ¿cuál es la diferencia de potencial entre los puntos?
WEBGRÁFIA y y y y
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/electrico/cElectrico.html http://html.rincondelvago.com/campo-electrico.html http://usuarios.iponet.es/agusbo/uned/propios/apuntes/electrico.PDF http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/A_Franco/elecmag net/electrico/cElectrico.html
BIBLIOGRAFÍA y y
FÍSICA (Quinta edición), Serway-Faughn, Person, Prentice Hall. FÍSICA PARA INGENIERÍA Y CIENCIAS (Tercera Edición), Volumen 2, Hans C. Ohanian, John T. Markert
