CAMPO ELECTRICO:
Definimos el campo eléctrico como aquella región del espacio en le que
cualquier carga situada en un punto de dicha región experimenta una acción o
fuerza eléctrica.También podemos describir un campo eléctrico como un campo
físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre
cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un
campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor sufre los efectos de una fuerza
eléctrica.
Michael Faraday fue el primero a proponer el concepto de campo eléctrico y también contribuyó con otros trabajos para el electromagnetismo, posteriormente este concepto fue mejorado con los trabajos de Maxwell quien fue discípulo de Faraday. En la primera mitad del siglo XIX, constituye frente a la ley de Coulomb una forma nueva de describir la interacción entre dos cargas eléctricas en reposo.El campo eléctrico tiene su origen en cargas eléctricas (cargas puntuales, distribuciones continuas de carga o todas ellas al mismo tiempo). Las cargas que dan lugar a un campo eléctrico dado suelen recibir el nombre de cargas fuente.
El concepto de campo fue introducido, como hemos dicho antes, por primera vez por Faraday para describir las interacciones eléctricas. En la actualidad, desempeña un papel fundamental en la Física: todas las interacciones conocidas se describen en términos del concepto de campo.
El concepto de campo eléctrico surgió de la necesidad de explicar la acción de fuerzas a distancia. Podemos decir que el campo eléctrico existe en una región del espacio cuando, al colocar una carga eléctrica (q) en esta región, tal carga es sometida a una fuerza eléctrica F.
El campo eléctrico puede ser comprendido como una
entidad física que transmite a todo el espacio la información de la existencia
de un cuerpo electrificado (Q) y al colocar otra carga (q) en esta región, será
constatada la existencia de una fuerza F de origen eléctrico actuando sobre
esta carga (q).
Es importante aquí, hacer una analogía entre el campo eléctrico y el campo gravitatorio de un planeta. Alrededor de un planeta, existe un campo gravitatorio debido a su masa, análogo al campo eléctrico que existe en torno de una esfera electrizada.
Nos damos cuenta entonces, de una analogía entre las magnitudes físicas de masa y carga eléctrica, como siendo responsables por generar los campos gravitatorios y eléctricos respectivamente.
Para definir, matemáticamente, el campo eléctrico es necesario definir una magnitud física que lo represente. Esta magnitud es el vector campo eléctrico. Considerando la definición utilizada anteriormente, el vector campo eléctrico está dado por:
E = F/q (recordando que E y F son vectores)
La fuerza F, a la que la carga q queda sometida será atractiva o repulsiva, dependiendo del signo de q.
La dirección del vector campo eléctrico tendrá la misma dirección de la recta que une el punto considerado y la carga generadora (Q).Ya el sentido del vector campo eléctrico, dependiendo del signo de la carga generadora (Q).
Para que el concepto de campo sea útil es necesario encontrar una cantidad física que permita caracterizar adecuadamente en cada punto del espacio el campo creado por una distribución de cargas dada.Esta cantidad es una magnitud vectorial, que se designa mediante la letra E, y que recibe el nombre de vector intensidad de campo eléctrico, vector campo eléctrico, o simplemente campo eléctrico. Definimos el vector campo eléctrico E en un punto como la fuerza que se ejerce sobre una carga prueba positiva q0 colocada en dicho punto dividida por el valor de la carga prueba q0 o, dicho de otro modo, la fuerza que se ejerce en dicho punto sobre la unidad de carga positiva.
Un buen ejemplo para campo eléctrico seria la Tierra y la Luna, a pesar de estar a mucha distancia, se atraen, lo mismo sucede con dos carga eléctricas cuando interaccionan entre sí. Hasta ahora para explicar la interacción entre masas o entre cargas eléctricas hemos utilizado el modelo de ‘acción a distancia’. Es decir, una carga ejerce una fuerza sobre otra a través del espacio. En esta lección veremos que existe otra forma complementaria de explicar las interacciones eléctricas a distancia.En este mapa conceptual hemos planteado mejor la clasificación de campo eléctrico:
Bueno en Conclusión final diremos que un campo eléctrico es
el lugar o campo en donde se manifiestan los efectos que producen unas cosas
llamadas Cargas Eléctricas que a su vez, forman parte inherente de las
partículas materiales subatómicas. Hasta ahora, el efecto producido por esos
entes llamados cargas eléctricas, sólo ha sido detectable mutuamente por una
simetría de efectos procedentes de las respectivas cargas a las que se ha dado
en llamar: carga positiva a una y carga negativa a la otra.
LEY DE COULOMB:
-Charles
Coulomb desarrolló una teoría que llamamos hoy “Ley de Coulomb”. Esta ley trata
de la fuerza de interacción entre las partículas electrificadas, las partículas
de igual signo serepelen y las de signos diferentes se atraen.
Coulomb
utilizó para estudiar estas fuerzas, un equipo que el mismo desarrolló, la
balanza de torsión. Este equipo consistía en un mecanismo que calcula la
intensidad del torque sufrido por una partícula que sufre repulsión.
“Las
cargas eléctricas positivas son atraídas por las cargas eléctricas negativas y
las cargas con el mismo símbolo se rechazan” este no es un concepto difícil de
comprender, ya ha sido estudiado en los procesos de electrificación.
La ley de
Coulomb dice que la intensidad de la fuerza electrostática entre dos cargas
eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que a ellas las separa.
La ley
que rige las fuerzas entre partículas inmóviles fue determinada en 1784 por
Charles Augustin Coulomb (1736-1806), quien usando una balanza de torsión
estableció la dependencia de la fuerza eléctrica con la distancia y el valor de
la carga.
La ley de coulomb puede expresarse en:
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que
interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al
producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa.
Coulomb desarrollo la balanza de torsión las que determino
las propiedades de la fuerza electrostática. Este instrumento consiste en una
barra que cuelga de una fibra capaz de torcerse. Si la barra gira, la fibra
tiende a regresarla a su posición original, con lo que conociendo la fuerza de
torsión que la fibra ejerce sobre la barra, se puede determinar la fuerza
ejercida en un punto de la barra.
En la barra de la balanza, Coulomb colocó una pequeña esfera
cargada
ya continuación, a diferentes distancias, posicionó otra esfera tambiéncargada.
Luego midió la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.
La ley de Coulomb establece que.La
interacción eléctrica entre dos partículas cargadas qa y qb en reposo, es
proporcional al producto de sus cargas y al inverso del cuadrado de la
distancia entre ellas, y su dirección se halla a lo largo de la línea que las
une. Que se puede expresar en forma vectorial como:
Donde es un vector unitario dirigido de qa a qb como en la figura 3.4 a y señala la dirección de la fuerza que ejerce qa sobre
qb. Si qa y qb tienen el mismo signo el producto de ellas es positivo y la
fuerza es de repulsión figura 3.4a. Si qa y qb son de signo opuesto como en la
figura 3.4b el producto de ellas es negativo y la fuerza es atractiva. Además como la ley de Coulomb obedece la tercera ley de Newton, la fuerza que ejerce
qa sobre qb es igual en magnitud a la fuerza que ejerce qb sobre qa y en
dirección opuesta es decir:
Ejemplo:
LINEAS DE CAMPO:
Descripcion
Cada línea está dibujada de forma que el campo es tangente a la misma en cada punto de ésta y las puntas de las flechas indican la dirección del campo (Suponiendo una carga positiva). El espacio entre ellas indica el valor del campo. En las regiones en donde las líneas están muy juntas este es muy grande, mientras que donde están muy separadas es muy pequeño.
De aquí se deduce que la densidad
de líneas es proporcional al campo. Así, un campo uniforme estará representado
por líneas de campo igualmente espaciadas, rectas y paralelas.
Además las líneas de campo definen
superficies equipotenciales perpendiculares a estas
Las líneas de campo son líneas perpendiculares a la superficie
del cuerpo, de manera que su tangente geométrica en un punto coincide con la
dirección del campo en ese punto. Esto es una consecuencia directa de la ley de
Gauss, es decir encontramos que la mayor variación direccional en el campo se
dirige perpendicularmente a la carga. Al unir los puntos en los que el campo
eléctrico es de igual magnitud, se obtiene lo que se conoce como superficies
equipotenciales, son aquellas donde el potencial tiene el mismo valor numérico.
En el caso estático al ser el campo eléctrico un campo ir rotacional las líneas
de campo nunca serán cerradas (cosa que sí puede suceder en el caso dinámico,
donde el rotacional del campo eléctrico es igual a la variación temporal del
campo magnético cambiada de signo, por tanto una línea de campo eléctrico
cerrado requiere un campo magnético variable, cosa imposible en el caso
estático).
En el caso dinámico pueden definirse igualmente las líneas
sólo que el patrón de líneas variará de un instante a otro del tiempo, es
decir, las líneas de campo al igual que las cargas serán móviles. 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 interactuantes, 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. El concepto de líneas de campo (o líneas de fuerza) fue introducido por Michael Faraday (1791-1867). Son líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va variando la dirección del campo eléctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona libremente, por lo que las líneas de campo salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas. Las líneas de campo creadas por una carga positiva están dirigidas hacia afuera; coincide con el sentido que tendría la fuerza electrostática sobre otra carga positiva Además, el campo eléctrico será un vector tangente a la línea en cualquier punto considerado.
Las propiedades de las líneas de campo las podemos resumir en:
#.El
vector campo eléctrico es tangente a las líneas de campo en cada punto.
#.Las
líneas de campo eléctrico son abiertas; salen siempre de las cargas positivas o
del infinito y terminan en el infinito o en las cargas negativas.
#.El
número de líneas que salen de una carga positiva o entran en una carga negativa
es proporcional a dicha carga.
#.La densidad de líneas de campo en un punto es proporcional al valor
del campo eléctrico en dicho punto.
#.Las líneas de campo no pueden
cortarse. De lo contrario en el punto de corte existirían dos vectores campo
eléctrico distintos.
#.A
grandes distancias de un sistema de cargas, las líneas están igualmente
espaciadas y son radiales, comportándose el sistema como una carga puntual.
En esta imagen vamos haber como se ven las lineas de campo en una carga eléctrica bien sea positiva o negativa:
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