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Campo Electrico - Noción de Campo Eléctrico, Comparación entre Campo Eléctrico y Gravitatorio, Unidades de Campo Eléctricos

Noción de Campo Eléctrico
El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Matematicamente se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

El campo eléctrico tiene tanto magnitud como dirección. Su magnitud (Intensidad) puede medirse a partir del efecto que produce sobre las cargas que se encuentran en su dominio. Imagina una pequeña “carga de prueba “, positiva, en un campo eléctrico. Al representar una pequeña esfera A con carga positiva + qo que se llama carga de prueba ( una carga muy pequeña en la que se desprecia su propio campo eléctrico), suspendida de un hilo aislante (péndulo eléctrico) completamente alejada de cualquier otra carga eléctrica.




El peso de la esfera o fuerza gravitatoria gesta equilibrado con la tensión del hilo. El desplazamiento de la esfera A con + qo modificando su estado de equilibrio, puede explicarse desde dos puntos diferentes:
a) La esfera A con carga + qo se desplaza, acercandose o alejandose de la esfera B, debido a un efecto de acción a distancia entre dos cuerpos cargados.
b) La esfera A con carga + qo se desplaza acercandose o alejandose de la esfera B debido a que la carga q deésta última esfera modifica las propiedades del espacio circundante, creando a su alrededor lo que se ha convenido en llamar un campo eléctrico.
Este campo eléctrico se pone de manifiesto por la fuerza eléctrica e atractiva o repulsiva, sobre la esfera A con carga + qo.


Un ejemplo típico del punto de vista del campo eléctrico son las antenas emisoras y receptoras de radio y televisión. En el circuito emisor de una estación de radio, por ejemplo y en el circuito detector de los aparatos se encuentra una antena que en su forma mas simple consiste en una varilla metalica. Cada estación emisora transmite sus programas con una frecuencia determinada, haciendo que en la antena los electrones se muevan periódicamente de un extremo a otro de la misma. Es decir, si en un instante un extremo de la varilla tiene exceso de electrones (carga negativa), el otro extremo tiene déficit de electrones (carga positiva). Un instante después se invierte la polaridad.






Comparación entre Campo Eléctrico y Gravitatorio
- Se dice que existe un campo eléctrico en una región del espacio si una carga eléctrica colocada en un punto de esa región experimenta una fuerza eléctrica.
- Se dice que existe un campo gravitatorio en una región del espacio si una masa colocada en un punto de esa región experimenta una fuerza gravitatoria.
- El campo gravitatorio es universal; existepara todos los cuerpos. El campo eléctrico sólo existe cuando los cuerpos estan cargados de electricidad.
- El campo gravitatorio es siempre de atracción, mientras que el campo eléctrico puede ser de atracción (cargas de diferente signo) o de repulsión (cargas de igual signo).
- La constante eléctrica K viene a ser (10exp20) veces mayor que la constante gravitatoria G. Lo que indica que el campo gravitatorio es muy débil comparado con el campo eléctrico.
- Una masa, siempre crea un campo gravitatorio. Una carga eléctrica en movimiento ademas del campo eléctrico crea también un campo magnético.

Intensidad de Campo Eléctrico en un Punto
Una carga positiva o negativa modifica las propiedades del espacio circundante creando a su alrededor un campo eléctrico que se pone de manifiesto por un efecto de atracción o de repulsión sobre una carga de prueba colocada en el campo. De acuerdo con esto, si en un punto O del espacio una carga puntual fija + q que se llama carga fuente y, dentro del campo eléctrico de esta carga colocada en un punto P , situado a la distancia r, una carga puntual + qo, que se llama carga de prueba , sobre ésta actuara una fuerza eléctrica repulsiva e

La fuerza que la carga fuente + q ejerce sobre la carga de prueba + qo situada en un punto determinado del campo es directamente proporcional a esta carga. Es decir a qo.
En consecuencia,en un punto determinado de un campo eléctrico el cociente /qo es constante. Esta constante se designa por y se llama intensidad del campo eléctrico en el punto. Se tiene entonces que:



La intensidad del campo eléctrico en un punto es una magnitud vectorial que se mide por el cociente entre la fuerza que ejerce el campo sobre una carga de prueba positiva + qo, colocada en el punto y el valor de dicha carga.

Unidades de Campo Eléctricos
La unidad de campo eléctrico podría facilmente deducirse de la siguiente fórmula:

El cociente de una fuerza electrostatica F y una carga eléctrica Q. Que tiene unidades de Newton / Coulombio
Para expresar la unidad de campo eléctrico se pueden utilizar otras magnitudes, que ayudaran a que el concepto de campo eléctrico quede mas claro.
Una carga ubicada en un campo eléctrico E, es afectada por éste y se ejercera sobre ella una fuerza F. Ahora, si esta carga se desplaza una distancia 'd' entre los puntos A y B, en sentido opuesto a la fuerza, se habra realizado un trabajo (W).
El trabajo realizado esta definido por lo siguiente: Trabajo = Fuerza x distancia, entonces la fórmula queda:
W = F x d = Q x E x d

ya que F = Q x E
Manipulando la fórmula anterior se obtiene: W / Q = E x d.
La expresión E x d se llama diferencia de potencial entre los puntos A y B, y se representa como VAB. Entonces VAB= E x d.
Despejando el campo eléctrico de la última ecuación se obtiene: E = VAB/d y la unidad es: voltios/metros

Líneas de la Fuerza de un Campo Eléctrico
El vector campo eléctrico es tangente a la línea en cada punto e indica la dirección del campo eléctrico en dicho punto. El campo eléctrico se suele representar como líneas de campo eléctrico o también llamadas líneas de fuerza. Estas líneas de fuerza tienen una serie de propiedades:



• Las líneas de fuerza van siempre de las cargas positivas a las cargas negativas ( o al infinito ).
• Las líneas siempre salen/entran simétricamente de las cargas.
• El número de líneas de fuerza es siempre proporcional a la carga.
• La densidad de líneas de fuerza en un punto es siempre proporcional al valor del campo eléctrico en dicho punto.
Por ejemplo, en los puntos cercanos a una carga positiva, el campo eléctrico apunta radialmente alejandose de la carga. Las líneas de campo eléctrico divergen desde el punto donde se encuentra la carga positiva.
En el siguiente dibujo podemos ver como las líneas de campo eléctrico se alejan de la carga puntual positiva, nótese también que a medida que nos alejamos de la carga positiva las líneas de campo se van separando, esto nos indica que el campo eléctrico va disminuyendo.


En este otro dibujo podemos ver como se forman las líneas de campo eléctrico en un dipolo. Comolas dos cargas tienen el mismo valor el número de líneas de campo que salen de la carga positiva es igual al número de líneas que llegan a la carga negativa.
Nótese también que la densidad de líneas de campo es mayor entre las cargas que en los extremos exteriores a ellas, ello es debido a que el campo eléctrico formado en la zona que hay entre las dos cargas es mucho mas intenso que en otra región.




Magnitud de un Campo Eléctrico creado por una carga puntual

Una carga de prueba q, se mueve, mediante un agente exterior de A hasta B en el campo producido por una carga
Considérense los puntos A y B y una carga puntual q tal como muestra la figura. Según se muestra, apunta a la derecha y , que siempre esta en la dirección del movimiento, apunta a la izquierda. Por consiguiente:

Ahora bien, al moverse la carga una trayectoria dl hacia la izquierda, lo hace en la dirección de la r decreciente porque r se mide a partir de q como origen. Así pues:

Por lo cual:

Combinando esta expresión con la de E para una carga puntual se obtiene:

Escogiendo el punto de referencia A en el infinito, esto es, haciendo que , considerando que en ese sitio y eliminando el subíndice B, se obtiene:



Esta ecuación muestra claramente que las superficies equipotenciales para una carga puntual aislada son esferas concéntricas a la carga puntual.





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