Campo Electrico

La fuerza eléctrica ejercida por una carga sobre otra es un ejemplo de acción a distancia, semejante a la fuerza gravitatoria ejercida por una masa sobre otra.

El campo eléctrico debido a un sistema de carga en un punto, se define como la fuerza neta ejercida por aquellas cargas sobre una carga testigo positiva q0’ dividida por q0:

El campo eléctrico puede representarse mediante líneas de campo eléctrico o de fuerza que se originan en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas. La intensidad del campo eléctrico viene indicada por la densidad de las líneas de fuerza.

El propósito de esta práctica es entender el concepto de campo eléctrico y sus implicaciones, así como también mostrar en forma práctica algunas de las configuraciones de electrodos que se pueden realizar. Debido a que la medida experimental del campo eléctrico es muy complicada, se utilizó la estrecha relación que existe entre campo y potencial eléctrico para estudiar el comportamiento del campo eléctrico en determinadas situaciones.

En esta experiencia trataremos de verificar los principios teóricos de la uniformidad del campo eléctrico entre dos conductores de placas paralelas y entre dos conductores con simetría radial para lo cual hallaremos una relación empírica que lo demuestre, y por último verificaremos el fenómeno de apantallamiento electrostático.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

El campo eléctrico es un concepto físico que describe de modo cuantitativo la forma en que una carga eléctrica testigo qo en un punto determinado P del espacio, recibe sobre sí la acción de una fuerza que resulta de la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por una serie de cargas individuales qi que se encuentran en diferentes puntos del espacio. El campo eléctrico no solo tiene utilidad decisiva para la solución de problemas de electrostática, sino que posee, además, cierta realidad física propia, la cual resulta evidente cuando se estudian fenómenos dependientes del tiempo.

El campo eléctrico se define como:

donde qo es una partícula de prueba de carga (positiva) y F es la fuerza eléctrica originada por una distribución de carga dada sobre la partícula de prueba. Como la definición toma en cuenta el límite de qo a 0, la partícula de prueba no provoca ninguna re-distribución de la carga en la materia cercana, por lo tanto el campo queda definido como una propiedad de la distribución de carga dada.

Líneas de fuerza y superficies equipotenciales

La presencia de un campo eléctrico puede indicarse dibujando líneas de fuerza eléctrica. El vector campo eléctrico es tangente a las líneas en cada punto. Si se adopta el convenio de dibujar un número fijo de líneas desde una carga puntual, siendo proporcional ese número al valor de la misma, y si se dibujan esas líneas simétricamente alrededor de la carga, la intensidad del campo estará indicada por la densidad de esas líneas. Estas líneas divergen de una carga puntual positiva y convergen en una carga puntual negativa.

Por otro lado, las superficies equipontenciales son aquellas que se mantienen al mismo potencial electrostático. Las líneas de fuerza son en todos los puntos perpendiculares a las superficies equipotenciales.

Un campo electrostático puede ser representado mediante líneas de fuerza (para los cuales E es tangente). Si tomamos una carga puntual, veremos que las líneas son rectas y radiales y es fácil observar que las superficies definidas para un r constante son superficies equipotenciales. Por superficies equipotenciales se entiende aquella sobre la cual el potencial eléctrico es constante.

La diferencia de potencial es la variación de energía. Para un desplazamiento infinitesimal se obtiene:

Y para un desplazamiento finito de a hasta b:

La diferencia de potencial Vb – Va es el trabajo por unidad de carga necesario ara mover una carga de prueba sin aceleración del punto a al punto b.

Por otro lado se sabe que V * 1/r, es decir, que a medida que nos alejamos de la carga qo, el potencial va decreciendo (fig. 1). Esta dependencia de V respecto al inverso de la distancia que separa la carga fuente de la testigo, se debe a que la fuerza utilizada para calcular el campo eléctrico E, es la que proviene de la Ley de Coulomb.

En general se observa que para un campo eléctrico uniforme, las líneas de fuerza son perpendiculares a las superficies equipotenciales. Entonces la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de un campo eléctrico uniforme solo depende del desplazamiento dr en la dirección paralela a E. En este caso:

es máxima

En general, si se establece un campo eléctrico en la vecindad de una configuración dada de cargas, se pueden trazar superficies equipotenciales que corresponden a una sucesión de intervalos iguales en el potencial, y de un análisis de este diagrama, es posible deducir el mapa correspondiente del campo eléctrico.

Ley de Gauss

Para un sistema de cargas, el flujo neto a través de cualquier superficie S es igual a 4K veces la carga neta dentro de la superficie.

K=1/4 0

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