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Campo Eléctrico

Campo Eléctrico

Probablemente has escuchado hablar de que hay electrodomésticos a tu alrededor que producen campos eléctricos. Pero este concepto parece difuso: ¿qué son los campos eléctricos?

Un campo es una entidad física que depende del espacio y el tiempo, y está generada por una fuente en el espacio que la rodea. Una partícula cargada eléctricamente genera un campo eléctrico. Los protones y los electrones tienen campos eléctricos y atraen o repelen a otras partículas cargadas.

Fórmula y unidades del campo eléctrico

El campo eléctricoes una cantidad vectorial que se mide en Newton/Coulomb o Voltios/m:

Aquí,yson, respectivamente, la fuerza eléctrica de la fuente y la carga a la que se aplica esa fuerza. Si calculamos el módulo de este vector, obtendremos la intensidad del campo eléctrico.

Si expresamos la fuerza en términos de campo eléctrico, el resultado es:

Cuando la carga es positiva, el campo eléctrico tiene la misma dirección que la fuerza, apuntan hacia afuera de la propia carga; mientras que una carga negativa genera una fuerza hacia adentro, al igual que el campo. La fórmula anterior hace evidente que conocer el campo eléctrico en el tiempo y el espacio permite calcular la fuerza que ejerce un campo eléctrico sobre una carga eléctrica.

Campo eléctrico uniforme y no uniforme

En función del comportamiento del campo eléctrico en el espacio, podemos distinguir entre campos eléctricos uniformes y no uniformes.

Un campo eléctrico uniforme tiene la misma intensidad, dirección y sentido en todos los puntos del espacio,; por tanto, el valor será el mismo en todos los puntos del campo.

Este campo eléctrico se dará bajo ciertas condiciones especiales, dado que el valor de la intensidad del campo eléctrico depende de la distancia. Es por ello que necesitaremos estar en el interior de un sistema de placas metálicas paralelas para poder percibir este campo uniforme.

Un campo eléctrico no uniforme no tiene la misma intensidad, dirección y sentido en todos los puntos del espacio; por tanto, el valor será diferente para distintos puntos del campo.

Generalmente, se habla de este tipo de campos. Esto es debido a que, tal y como veremos con más detalle en la siguiente sección, el campo eléctrico tiene una dependencia directa con la distancia. En consecuencia, al situarnos en diferentes regiones del espacio, obtendremos valores del campo eléctrico diferentes.

Ley de Coulomb y líneas del campo eléctrico

El campo eléctrico más sencillo es el producido por una sola partícula cargada. Utilizando la ley de Coulomb, es posible calcular la fuerza entre dos partículas y , a una distancia, siendo el vector unitario que une las partículas.

Aquí,es una constante llamada permitividad del vacío o permitividad dieléctrica absoluta, con un valor de aproximadamente.

Si dividimos la ecuación de la fuerza por una de las cargas, podemos obtener el campo eléctrico producido por la otra.

Por ejemplo, el campo eléctrico generado por la carga :

Aquí,es la parte constante de la fórmula, incluyendo la permitividad. Su valor es .

Campos eléctricos. Campo eléctrico de una partícula. StudySmarter

Fig. 1: Campo eléctrico de una partícula.

El campo eléctrico depende de la distancia del punto de medición a la fuente del propio campo, y del valor de la carga. En el caso de una sola partícula, identificamos esferas concéntricas como superficies donde la intensidad del campo es la misma.

Además, en la Figura 1 podemos observar las líneas de campo. Estas líneas nos indican la dirección del campo eléctrico y nos sirven para visualizar campos vectoriales. Cuanto más espacio hay entre ellas, menor es el valor del campo eléctrico. Por tanto, cuanto mayor sea la densidad de las líneas, mayor es la intensidad del campo.

En el caso de la Figura 1, la carga eléctrica es positiva; por tanto, las líneas de campo eléctrico nacen de esta y se expanden hacia el infinito. Si, por contrario, la carga eléctrica fuese negativa, las líneas apuntarían hacia la carga y morirían en ella.

El campo eléctrico uniforme de cargas múltiples

Se puede generalizar la fórmula utilizada para describir una sola carga para calcular también el campo eléctrico en casos más complejos. En el caso de las cargas múltiples, hay que considerar su efecto en el punto de aplicación. El valor del campo eléctrico, en este punto, se calcula sumando la contribución de cada carga.

Campos eléctricos. Campo eléctrico de múltiples cargas. StudySmarter

Fig. 2: El valor del campo de dos partículas en algún punto es igual a la suma de ambos campos a esa distancia.

Esto lo podemos expresar con la siguiente fórmula:

Como puedes ver, no hay una gran diferencia con el ejemplo anterior. Aquírepresenta el número total de cargas; pero, en lugar de calcularlo una vez, hay que sumar el resultado de esa fórmula para todas las cargas.

Ten en cuenta que es importante respetar el sentido de cada contribución al realizar la suma vectorial.

El campo eléctrico de cargas distribuidas

Imaginemos ahora una situación algo más compleja y, también, más útil (ya que, no es muy común encontrar partículas con carga puntual). Ahora tenemos objetos con una forma y un volumen determinados. Gracias al principio de superposición, consideramos una densidad de carga homogénea,en lugar de la carga de una sola partícula. Para calcular el campo eléctrico es cuestión de hacer una integral que considere la distribución de la carga dentro del objeto:

A partir de este resultado, es posible ir más allá y considerar, por ejemplo, una densidad de carga no homogénea. Tomamos una fuente cuya carga varía a lo largo de una o varias dimensiones en el espacio y en todo el volumen. Para nombrar esta densidad, añadimos entre paréntesis las variables de las que depende. Por ejemplo, el caso de una densidad de carga que varía en la dimensiónse representa por .

Potencial eléctrico

El campo eléctrico pertenece a una conjunto de campos especiales llamados campos conservativos, que se definen por conservar la energía de una partícula afectada por ellos (una carga en este caso), al describir la misma un bucle cerrado en el seno de un campo eléctrico. Matemáticamente, esto significa que la fórmula del campo eléctrico se puede derivar de forma muy sencilla de un campo escalar llamado potencial eléctrico.

Del campo eléctrico al potencial eléctrico

El potencial eléctrico es la cantidad de energía necesaria para desplazar una carga en un campo eléctrico desde el punto A al punto B sin pérdida ni transformación de energía.

Para definir el potencial eléctrico (o electrostático), necesitamos un punto de referencia. El primero es la fuente del campo eléctrico. En el caso de una partícula con una carga inmersa en un campo eléctrico generado por , la energía potencial eléctrica es:

Esta magnitud se conoce también como la energía potencial eléctrica. Lo primero que hay que tener en cuenta es que la energía potencial eléctrica es una cantidad escalar.

Además, aunque la fórmula es muy parecida a la de la fuerza, debemos considerar el radio en el denominador y no su potencia cuadrada. Por último, y muy importante, esta cantidad depende de la carga de la partícula.

Para calcular el potencial eléctrico de un campo eléctricoen un punto, utilizamos la siguiente expresión.

Por tanto, podemos considerar la cargacomo una carga de prueba para calcular el potencial eléctrico. Este potencial eléctrico tiene unidades de julio por columbio () que equivale a un voltio.

Consideremos ahora dos puntos: podemos calcular la diferencia de potencial entre estos dos puntos restando los potenciales eléctricos en cada uno:

Si alejamos mucho el puntodel punto,se hace mayor; mientras quese hace menor. Cuanto más se alejade, más se acercaa cero; hasta el punto de queestá tan lejos que podemos evitar considerar ese término entre paréntesis.

Cuando se habla del potencial entre dos puntos, uno de ellos se describe a menudo como en el infinito. El objetivo de esto es para que se pueda calcular el potencial en uno solo de los puntos, ya que la contribución en el infinito será cero. Dado que el potencial eléctrico mide energía (por unidad de carga) siempre disponemos de la libertad de fijar el cero de la escala de energía donde queramos. La elección más simple y habitual es tomar el cero en el infinito.

Campos eléctricos - Puntos clave

  • Un campo es generado por una fuente en el espacio que la rodea. Un campo eléctrico es generado por una partícula cargada eléctricamente.
  • La fuente que genera el campo eléctrico puede ser discreta (carga o cargas puntuales) o continua (distribución homogénea o inhomogénea de carga).
  • Las superficies equipotenciales de un campo son aquellas en las que la intensidad del propio campo sobre una carga de prueba es el mismo.
  • Las líneas de campo indican la dirección del mismo. Nacen de una carga positiva y mueren en una carga negativa.
  • Mover una carga en un campo eléctrico consume energía, y la cantidad necesaria para ir de A a B se llama energía potencial eléctrica. El potencial eléctrico informa de esta energía por unidad de carga.
  • Cuando se habla de la diferencia de potencial entre dos puntos, uno de ellos se suele escoger como el infinito, dado que la escala de energías puede fijarse como cero en un punto arbitrario y este es especialmente conveniente.

Preguntas frecuentes sobre Campo Eléctrico

Un campo eléctrico es el campo generado por una partícula cargada eléctricamente.

El campo eléctrico para una distribución arbitraria de carga, se calcula utilizando las leyes de Maxwell. El campo eléctrico generado por una carga puntual se calcula con la siguiente fórmula: E=kQ/r^2


Un campo eléctrico se crea porque una distribución de carga eléctrica puede causar efectos a su alrededor, si hay otras cargas cuya naturaleza queda cargada por el campo eléctrico.

Sí, en general el campo eléctrico es una cantidad vectorial con tres componentes espaciales.

El campo eléctrico en un punto creado por varias cargas puntuales, no es más que la contribución de los campos eléctricos generados por cada partícula. Esto se llama principio de superposición.

Cuestionario final de Campo Eléctrico

Pregunta

Enuncia la ley de Ohm.

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Answer

Para un conductor a temperatura constante, la corriente que lo atraviesa es proporcional a la diferencia de potencial a través de él.

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Pregunta

Escribe la fórmula de la ley de Ohm.

Mostrar respuesta

Answer

V=I·R.

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Pregunta

¿Cómo podemos encontrar la resistencia en una curva característica corriente-voltaje?

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Answer

Estudiando el gradiente/la pendiente de la curva.

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Pregunta

Describe, en líneas generales, las curvas características de corriente-voltaje de un conductor óhmico

Mostrar respuesta

Answer

La curva característica corriente-voltaje de un conductor óhmico es una línea recta cuya pendiente es la inversa de la resistencia

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Pregunta

Describe, en líneas generales, las curvas características corriente-voltaje de un diodo.

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Answer

La curva característica corriente-voltaje de un diodo crece abruptamente para valores positivos del voltaje y se vuelve una constante nula para valores negativos del voltaje.

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Pregunta

Describe en líneas generales de curvas características corriente-voltaje de un termistor.

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Answer

La corriente crece más abruptamente para valores del voltaje bajos y se ralentiza su crecimiento para valores más altos del voltaje, hasta alcanzar un valor máximo.

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Pregunta

¿Cómo depende la resistencia de la temperatura?

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Answer

La resistencia aumenta con la temperatura.

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Pregunta

¿Qué es un diodo?

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Answer

Un dispositivo que se comporta como un conductor en una dirección de la corriente y como una resistencia casi infinita en la otra.

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Pregunta

¿El diodo permite que la corriente fluya en ambas direcciones?  

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Answer

La corriente fluye solo en una de las dos direcciones.

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Pregunta

¿Qué es una célula fotovoltaica

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Answer

Es un dispositivo que transforma la radiación electromágnetica del Sol en energía eléctrica.

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Pregunta

¿Es la ley de Ohm siempre válida?

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Answer

Sí, la ley de Ohm es válida para describir ciertos regímenes de la mayoría de conductores.

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Pregunta

¿Gracias a qué efecto producen las células fotovoltaicas energía?

Mostrar respuesta

Answer

Gracias al efecto fotoeléctrico.

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Pregunta

¿Cuál es la expresión matemática de la ley de Ohm?

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Answer

V=I·R.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta:

Mostrar respuesta

Answer

La resistencia se mide en ohmios, la corriente en amperios y el voltaje en voltios.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta;

Mostrar respuesta

Answer

La resistencia es una función arbitraria de la corriente y el voltaje; se corresponde con la pendiente de la curva característica corriente-voltaje.

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Pregunta

¿Qué es la resistencia? 

Mostrar respuesta

Answer

La resistencia es una magnitud que cuantifica la obstrucción de los materiales al movimiento de las cargas.

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Pregunta

¿Cómo se mide la resistividad? 

Mostrar respuesta

Answer

La resistividad se mide en ohmios-metro (Ω·m).

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Pregunta

Elige la afirmación correcta sobre la relación entre la tensión, la corriente y la resistencia:

Mostrar respuesta

Answer

La tensión, la corriente y la resistencia pueden relacionarse mediante una ecuación arbitraria.

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Pregunta

Elija la afirmación correcta:

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Answer

La plata es mejor conductora que el cobre.

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Pregunta

Elija la afirmación correcta:

Mostrar respuesta

Answer

La resistividad es una propiedad característica de los materiales que está relacionada con su estructura microscópica y que depende de factores externos como la temperatura.

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Pregunta

¿La resistencia crece con la longitud del conductor?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, la resistencia crece con la longitud de un conductor. 

Show question

Pregunta

¿La resistencia crece con la sección del conductor?

Mostrar respuesta

Answer

No, la resistencia disminuye con la sección transversal de un conductor.

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Pregunta

¿Aumenta la resistividad con la longitud del conductor?

Mostrar respuesta

Answer

La resistividad es una propiedad característica de los materiales que no depende de su longitud.

Show question

Pregunta

¿Disminuye la resistividad con la sección de los conductores?

Mostrar respuesta

Answer

La resistividad es una propiedad característica de los materiales que no depende de su sección.

Show question

Pregunta

¿Los materiales con menor resistividad son mejores o peores conductores?

Mostrar respuesta

Answer

Los materiales con menor resistividad son mejores conductores. 

Show question

Pregunta

¿La temperatura aumenta o disminuye la resistividad?

Mostrar respuesta

Answer

La temperatura aumenta la resistividad. 

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Pregunta

¿Cómo se llaman los conductores que obedecen la ley de Ohm?

Mostrar respuesta

Answer

Los materiales óhmicos son conductores que obedecen la ley de Ohm.

Show question

Pregunta

¿Qué cantidad capta mejor las propiedades microscópicas de los materiales: la resistencia o la resistividad?

Mostrar respuesta

Answer

La resistividad capta mejor las propiedades microscópicas de los materiales.

Show question

Pregunta

¿Para los conductores no óhmicos, un aumento de la resistencia implica una disminución de la corriente eléctrica?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, esta disminución es independiente de la forma exacta de la relación matemática.

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Pregunta

¿Cuál es la definición de la corriente eléctrica?

Mostrar respuesta

Answer

La corriente eléctrica es el número de cargas que atraviesan la sección transversal de un material por unidad de tiempo.

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Pregunta

La mayoría de los conductores tienen temperaturas críticas en las que presentan superconductividad. ¿Las temperaturas suelen estar cerca de qué valor?

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Answer

Están cerca de cero grados centígrados.

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Pregunta

¿Qué es la potencia eléctrica?

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Answer

La velocidad a la que se transfiere la energía eléctrica, a través de un circuito eléctrico.

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Pregunta

¿Qué es la superconductividad?

Mostrar respuesta

Answer

La superconductividad es la propiedad de un conductor de ofrecer una resistencia nula al flujo de corriente a una determinada temperatura.

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Pregunta

¿Cuál es la unidad del sistema internacional de resistividad?

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Answer

El Ohmio por metro (Ω/m).

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Pregunta

¿Qué es la resistividad?

Mostrar respuesta

Answer

La resistividad (ρ) de un material es la característica que mide la obstrucción característica de un medio al flujo de corriente. Se relaciona con la resistencia, a través de la sección transversal y la longitud del conductor.

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Pregunta

¿Cuál es la unidad del sistema internacional de la resistencia?

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Answer

El Ohmio (Ω).

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Pregunta

¿Qué es la resistencia?

Mostrar respuesta

Answer

La resistencia contra el flujo de corriente.

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Pregunta

¿Cuál es la unidad del sistema internacional de la diferencia de potencial o voltaje?

Mostrar respuesta

Answer

La unidad del sistema internacional de la diferencia de potencial o voltaje es el Voltio (V).

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Pregunta

¿Qué es la diferencia de potencial eléctrico?

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Answer

La diferencia de potencial eléctrico es el trabajo realizado por unidad de carga, al transportar dicha carga de un punto a otro del circuito.

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Pregunta

¿Cuál es la unidad del sistema internacional de una corriente eléctrica?

Mostrar respuesta

Answer

La unidad del sistema internacional de la corriente eléctrica es el Amperio (A).

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Pregunta

¿Qué es una corriente eléctrica?

Mostrar respuesta

Answer

Una corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica en un circuito por unidad de tiempo.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía eléctrica?

Mostrar respuesta

Answer

La energía eléctrica es la energía generada por el movimiento de cargas. Se puede obtener a partir de la potencia eléctrica (y viceversa).

Show question

Pregunta

¿Cuál es la unidad del sistema internacional de la potencia eléctrica?

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Answer

Los Vatios (W), que equivalen a Julios (J) por segundo (s).

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Pregunta

¿Qué ley mide la cantidad de fuerza que actúa sobre una carga generada por otra carga?

Mostrar respuesta

Answer

La ley de Coulomb.

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Pregunta

¿Cómo se crea un campo magnético?

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Answer

Al mover cargas eléctricas.

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Pregunta

¿Desde cuándo se sabe que la electricidad y el rayo son el mismo fenómeno? ¿Quién hizo este descubrimiento?

Mostrar respuesta

Answer

Desde 1752. Benjamín Franklin.

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Pregunta

¿Cuáles son los dos principales dispositivos de medición en los circuitos eléctricos?

Mostrar respuesta

Answer

Voltímetros y amperímetros.

Show question

Pregunta

El valor de la tensión en un punto de tierra es ___.


Mostrar respuesta

Answer

Cero.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el símbolo para la corriente eléctrica?


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Answer

I.

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Pregunta

¿Cuál es el principal uso de un interruptor en los circuitos eléctricos?


Mostrar respuesta

Answer

Dar paso o detener el flujo de corriente.

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