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Campos Eléctricos

Campos Eléctricos

¿Te has preguntado alguna vez cuál es la causa de que caiga un rayo cuando hay una tormenta? ¿Por qué, en un átomo, los electrones que giran alrededor del núcleo no salen volando, a pesar de ir a una gran velocidad?

Ambas cosas se deben al mismo fenómeno, llamado campo eléctrico.

Campo eléctrico: fórmula

Un campo eléctrico es un área en el espacio alrededor de una carga eléctrica, en la que otra carga eléctrica experimentará una fuerza. El campo eléctrico se mide en unidades de NC-1 (Newtons por Coulomb).

Las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí. De forma análoga a los polos magnéticos, las cargas similares se alejan entre sí y las cargas opuestas se acercan. Una partícula con carga positiva atrae a otra con carga negativa y repele a otra con carga positiva. Esta relación de fuerza sobre las cargas en un campo eléctrico viene dada por la fórmula

Aquí,

E - Magnitud del campo eléctrico,

F - Fuerza experimentada por la carga q,

q - Una carga puntual.

Si se despeja la fuerza en la ecuación, se puede deducir que una mayor cantidad de fuerza será experimentada por una mayor carga. También puedes ver por qué las unidades del campo eléctrico son NC-1: la fuerza se mide en Newtons, y la carga se mide en Coulombs, por lo que F/q ≈ N/C.

Los campos eléctricos pueden visualizarse como líneas de campo eléctrico. Las líneas de campo eléctrico surgen de una partícula cargada positivamente pero convergen en una partícula cargada negativamente. Los campos eléctricos de una partícula positiva surgen y continúan en el infinito, mientras que los campos de las partículas cargadas negativamente se originan en el infinito y convergen en la propia partícula.

Es importante saber que un campo eléctrico es una magnitud vectorial.

Una magnitud vectorial tiene tanto una cantidad (valor medible) como una dirección, mientras que una magnitud escalar sólo tiene cantidad o valor medible.

Por lo tanto, los campos eléctricos también pueden visualizarse mediante vectores. El campo eléctrico resultante en cualquier punto del espacio es la suma de todos los vectores del campo eléctrico en ese punto.

Propiedades de los campos eléctricos

Los campos eléctricos presentan las siguientes propiedades:

  • Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan entre sí. Si lo hicieran, significaría que algún punto del espacio tendría un campo eléctrico en dos direcciones simultáneamente, lo cual no es posible.
  • Los campos eléctricos son fuertes donde las líneas de campo eléctrico están más cerca unas de otras, y viceversa.
  • Los campos eléctricos son siempre perpendiculares a la superficie cargada.
  • El número de líneas de campo eléctrico es proporcional a la carga eléctrica.
  • Las líneas de campo eléctrico se originan en la carga positiva y terminan en una carga negativa.
  • Si sólo hay una carga presente, el campo eléctrico comienza o termina en el infinito

Es fácil comparar los campos eléctricos con los campos magnéticos. Sin embargo, tienen algunas diferencias.

  • Las líneas de campo eléctrico surgen de la carga positiva. Las líneas de campo magnético surgen del polo norte.
  • Las líneas de campo eléctrico convergen en la carga negativa. Las líneas de campo magnético convergen en el polo sur.
  • Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan, lo cual es una propiedad similar a la de las líneas de campo magnético.
  • Tanto las líneas de campo eléctrico como las líneas de campo magnético son magnitudes vectoriales, es decir, tienen una magnitud y una dirección.
  • La densidad de las líneas de campo disminuye a medida que se extienden, tanto para los campos eléctricos como para los magnéticos.

Una diferencia importante es que las líneas de campo magnético sólo pueden existir cuando hay un dipolo magnético, es decir, cuando hay polos norte y sur. Como los imanes no pueden existir sin ninguno de sus polos, las líneas de campo magnético siempre forman bucles cerrados entre el polo norte y el polo sur.

Sin embargo, las cargas eléctricas pueden existir como cargas positivas o negativas aisladas

Tipos de campos eléctricos

Existen dos tipos de campos eléctricos.

Campo eléctrico uniforme

Como su nombre indica, un campo eléctrico se denomina uniforme cuando no cambia con la distancia. Una carga (q) experimentaría la misma magnitud y dirección de la fuerza en cualquier punto de un campo eléctrico uniforme.

Como ejemplo, considera el campo eléctrico entre dos placas paralelas con carga opuesta, como se muestra en la figura siguiente.

Campo eléctrico no uniforme

De nuevo, como su nombre indica, un campo eléctrico no uniforme no es constante y puede variar de un punto a otro. Una carga (q) experimentaría una magnitud o dirección variable (o ambas) de la fuerza en diferentes puntos, en un campo eléctrico no uniforme.

Considera el siguiente ejemplo, que muestra un campo eléctrico de una sola carga puntual.

Los campos eléctricos que emanan de las partículas cargadas subatómicas (electrones y protones) mantienen unido al átomo. Sin ellos, el átomo dejaría de existir, y por extensión, todo lo demás también. Los campos eléctricos también son responsables de la interacción molecular en las reacciones químicas

La ley de Coulomb

La ley de Coulomb nos dice que las cargas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen. Pero además de estas afirmaciones rudimentarias, la ley de Coulomb también proporciona la fórmula que cuantifica esta fuerza de atracción o repulsión.

La fuerza de atracción (o repulsión) entre dos cargas puntuales es

  1. Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas

2. Directamente proporcional al producto de las dos cargas

Por lo tanto, la fuerza entre las cargas puntuales puede darse como

Donde la constante de proporcionalidad k tiene el valor

Donde, ε₀ = 8,854 Nm2C-2 , es la permitividad del vacío (también llamada constante eléctrica). Si se calcula el valor de k, resulta k = 9*109 Nm2C-2.

Como conocemos la fórmula de la fuerza que actúa sobre la carga q2 debido a la carga q1, podemos encontrar la intensidad del campo eléctrico debido a la carga q1 en el punto r. Sólo hay que sustituir la primera ecuación por la ecuación que nos dio la ley de Coulomb.

Orígen de los campos eléctricos

¿Qué es lo que realmente provoca la formación de un campo eléctrico? ¿Cómo se puede crear un campo eléctrico? Los campos eléctricos se forman cuando hay una diferencia de potencial eléctrico entre 2 puntos del espacio.

El potencial eléctrico se define como la cantidad de trabajo necesaria para mover una carga unitaria desde el infinito hasta un punto en un campo eléctrico.

Consideremos una carga Q. El potencial eléctrico en un punto a una distancia r de la carga Q es:

  • Directamente proporcional a Q. Cuanto mayor sea la carga, mayor será el potencial eléctrico en ese punto.
  • Inversamente proporcional a r. Cuanto mayor sea la distancia, menor será el potencial eléctrico en ese punto.

En otras palabras,

Sustituyendo la constante de proporcionalidad,

Velec se mide en julios por culombio, o en voltios.

Crea tú mismo un pequeño campo eléctrico.

Toma una regla/peine de plástico y frótala en tu pelo o en un trozo de tela. Acércalo a un pequeño trozo de papel. ¿Qué notas? El papel parece ser atraído por la regla. Esto se debe a que al frotar el plástico adquiere una carga estática negativa que tiene un campo eléctrico estático a su alrededor. Existe una diferencia de potencial entre la regla y el papel; cuando el papel se encuentra en la proximidad de este campo eléctrico, experimenta una fuerza hacia él.

¿Recuerdas que establecimos que un campo eléctrico es el resultado de una diferencia de potencial eléctrico entre 2 puntos? Matemáticamente, esto se puede expresar de la siguiente manera

Si trabajamos sobre la ecuación y diferenciamos Velec con respecto a r, obtendremos la fórmula del campo eléctrico. El signo negativo indica que la intensidad del campo eléctrico disminuye a medida que nos alejamos de la carga (es decir, a medida que r aumenta). Observa que E y r son cantidades vectoriales en esta ecuación, mientras que Velec es una cantidad escalar.

Energía potencial eléctrica

Como ya se ha dicho, la energía potencial eléctrica es la energía necesaria para mover una carga a través de un campo eléctrico, esto debido a que la carga experimenta constantemente una fuerza debida al campo eléctrico. También puede definirse como la energía total necesaria para mantener un sistema de dos cargas en una configuración determinada, debido a las fuerzas electrostáticas entre las dos cargas.

Consideremos 2 cargas puntuales q1 y q2, separadas por una distancia r. La energía potencial eléctrica de este sistema (Uelec) viene dada por:


Cuando r es ∞, es decir, cuando las cargas están muy separadas, Uelec es 0. El trabajo realizado sobre las cargas para llevarlas a una distancia de r se almacena en este sistema como su energía potencial. A la inversa, el trabajo realizado por las fuerzas electrostáticas de las cargas entre sí es igual al negativo de la energía potencial del sistema. Como cualquier otra forma de energía, la Uelec se mide en julios.

Si se observa con atención la ecuación de Uelec, se puede deducir que se puede obtener Uelec multiplicando el potencial eléctrico por la carga q. Eso nos da la energía potencial necesaria para mantener una carga a una distancia r de otra carga.

Campos Eléctricos - Puntos Claves

  • Un campo eléctrico es una región alrededor de una partícula cargada en la que otras partículas cargadas experimentarán una fuerza.
  • El campo eléctrico puede visualizarse con líneas de campo eléctrico, al igual que las líneas de campo magnético.
  • Cuando hay una sola carga puntual positiva, las líneas de campo eléctrico saldrán de la carga puntual y terminarán en el infinito.
  • Si hay una sola carga puntual negativa, las líneas de campo eléctrico comenzarán en el infinito y terminarán en la carga puntual. Un campo eléctrico uniforme tiene una intensidad uniforme en cada punto del espacio. La intensidad del campo eléctrico no uniforme puede variar de un punto a otro.
  • La ley de Coulomb cuantifica la fuerza de atracción entre dos partículas cargadas.
  • El campo eléctrico es el resultado de la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del espacio.
  • El trabajo realizado sobre un sistema de cargas para reunirlas en proximidad una de otra se almacena en el sistema como su energía potencial.

¿Qué nos dice la Ley de Coulomb?

La ley de Coulomb nos dice que las cargas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen. Pero además de estas afirmaciones rudimentarias, la ley de Coulomb también proporciona la fórmula que cuantifica esta fuerza de atracción o repulsión.

¿Cómo se calcula el campo eléctrico?

Las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí. De forma análoga a los polos magnéticos, las cargas similares se alejan entre sí y las cargas opuestas se acercan. Una partícula con carga positiva atrae a otra con carga negativa y repele a otra con carga positiva. Esta relación de fuerza sobre las cargas en un campo eléctrico viene dada por la fórmula

E = F/q

Aquí,

E - Magnitud del campo eléctrico,

F - Fuerza experimentada por la carga q,

q - Una carga puntual.

¿Qué es la energía potencial eléctrica y cómo se calcula?

Consideremos 2 cargas puntuales q1 y q2, separadas por una distancia r. La energía potencial eléctrica de este sistema (Uelec) viene dada por:

Uelec = (1/4πε0) (q1.q2/r)

¿Qué pasa si el campo eléctrico es uniforme?

Como su nombre indica, un campo eléctrico se denomina uniforme cuando no cambia con la distancia. Una carga (q) experimentaría la misma magnitud y dirección de la fuerza en cualquier punto de un campo eléctrico uniforme.

¿Cómo calcular el campo eléctrico uniforme?

Sabemos que la fuerza eléctrica entre dos cargas viene dada por la ecuación

Si tomamos una de las dos cargas como referencia y reemplazamos en la ecuación de la magnitud de campo eléctrico obtenemos la ecuación

Preguntas frecuentes sobre Campos Eléctricos

La ley de Coulomb nos dice que las cargas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen. Pero además de estas afirmaciones rudimentarias, la ley de Coulomb también proporciona la fórmula que cuantifica esta fuerza de atracción o repulsión. 

Las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí. De forma análoga a los polos magnéticos, las cargas similares se alejan entre sí y las cargas opuestas se acercan. Una partícula con carga positiva atrae a otra con carga negativa y repele a otra con carga positiva. Esta relación de fuerza sobre las cargas en un campo eléctrico viene dada por la fórmula 




Aquí,


E - Magnitud del campo eléctrico,


F - Fuerza experimentada por la carga q,


q - Una carga puntual.

La energía potencial eléctrica es la energía necesaria para mover una carga a través de un campo eléctrico. La energía es necesaria para mover una carga a través de un campo eléctrico, ya que la carga experimenta constantemente una fuerza debida al campo eléctrico. También puede definirse como la energía total necesaria para mantener un sistema de dos cargas en una configuración determinada, debido a las fuerzas electrostáticas entre las dos cargas.


Consideremos 2 cargas puntuales q1 y q2, separadas por una distancia r. La energía potencial eléctrica de este sistema (Uelec) viene dada por: 


        

Como su nombre indica, un campo eléctrico se denomina uniforme cuando no cambia con la distancia. Una carga (q) experimentaría la misma magnitud y dirección de la fuerza en cualquier punto de un campo eléctrico uniforme. 

Por lo tanto, la fuerza entre las cargas puntuales puede darse como 



Cuestionario final de Campos Eléctricos

Pregunta

¿Qué es un campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

El campo eléctrico es una región alrededor de una partícula cargada en la que otras partículas cargadas experimentan una fuerza.

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Pregunta

Si hay una sola carga puntual positiva, ¿dónde se originan y donde terminan las líneas de campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico saldrán de la carga puntual y terminarán en el infinito.

Show question

Pregunta

El punto A tiene un campo eléctrico más intenso que el punto B. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico en A son más densas que en B.

Show question

Pregunta

Hay una superficie plana cargada positivamente con el vector superficie apuntando hacia arriba. ¿Cuál es la dirección de las líneas de campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Hacia arriba.

Show question

Pregunta

¿Cómo se puede crear un campo eléctrico entre la superficie A y la superficie B?

Mostrar respuesta

Answer

Creando una diferencia de potencial eléctrico entre las dos superficies.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la dirección del campo eléctrico en el punto A debido a una carga puntual de -2C mantenida a 100m de él?

Mostrar respuesta

Answer

Hacia la carga.

Show question

Pregunta

q1 = 1C. q2 = -1C. distancia entre ellas (r) = 1m. ¿Cuál es la fuerza sobre q2 debida a q1, y en qué dirección está la fuerza?

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Answer

F = 9·109 N ; la fuerza está hacía q1.

Show question

Pregunta

Selecciona la afirmación verdadera:

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico nos indican el tipo de carga.


Show question

Pregunta

Las líneas de campo eléctrico se pueden cruzar entre sí. En tal caso, algún punto del espacio tendría un campo eléctrico en dos direcciones simultáneamente.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Los campos eléctricos son siempre ______ a la superficie cargada.


Mostrar respuesta

Answer

Perpendiculares.

Show question

Pregunta

Las líneas de campo eléctrico se originan en la carga _____ y terminan en una carga _____. 


Mostrar respuesta

Answer

Positiva; Negativa.

Show question

Pregunta

La ley de Coulomb nos dice que las cargas diferentes se repelen y las cargas similares se atraen.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Qué tipo de magnitud es un campo eléctrico?

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Answer

Es una magnitud vectorial porque tiene tanto una cantidad (valor medible) como una dirección.

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