Al principio, el concepto de campo puede parecer un poco abstracto. ¿Qué es esta misteriosa cosa invisible que llena el espacio? ¡Puede sonar como algo sacado de ciencia ficción!
Pero un campo es en realidad solo una construcción matemática, o una forma de asignar un vector a cada región del espacio, lo que da alguna indicación de cuán fuerte o débil es un efecto en cada punto.
Definición de campo eléctrico
Así como los objetos con masa crean un campo gravitacional, los objetos con carga eléctrica crean campos eléctricos. El valor del campo en cualquier punto dado le brinda información sobre lo que le sucederá a otro objeto cuando se coloque allí. En el caso del campo gravitacional, proporciona información sobre qué fuerza gravitacional sentirá otra masa.
Uncampo eléctricoes un campo vectorial que asigna a cada punto del espacio un vector que indica la fuerza electrostática por unidad de carga en esa ubicación. Cualquier artículo con carga genera un campo eléctrico.
Las unidades SI asociadas con el campo eléctrico son Newtons por Coulomb (N / C). Y la magnitud del campo eléctrico debido a una carga de fuente puntual
Qes dado por:E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Dónderes la distancia desde la cargaQy la constante de Coulombk = 8.99 × 109 Nuevo Méjico2/C2.
Por convención, la dirección del campo eléctrico apunta radialmente en dirección opuesta a las cargas positivas y hacia las cargas negativas. Otra forma de pensar es que siempre apunta en la dirección en la que se movería una carga de prueba positiva si se colocara allí.
Dado que el campo es fuerza por unidad de carga, entonces la fuerza sobre una carga de prueba puntualqen un campomisería simplemente el producto deqymi:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Que es el mismo resultado dado por la Ley de Coulomb para la fuerza eléctrica.
El campo en cualquier punto dado debido a cargos de múltiples fuentes o una distribución de cargo es la suma vectorial del campo debido a cada uno de los cargos individualmente. Por ejemplo, si el campo producido por cargo de fuenteQ1solo en un punto dado es 3 N / C a la derecha, y el campo producido por una carga de fuenteQ2solo en el mismo punto está 2 N / C a la izquierda, entonces el campo en ese punto debido a ambas cargas sería 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C a la derecha.
Líneas de campo eléctrico
A menudo, los campos eléctricos se representan con líneas continuas en el espacio. Los vectores de campo son tangentes a las líneas de campo en cualquier punto dado, y estas líneas indican la ruta que viajaría una carga positiva si se le permitiera moverse libremente en el campo.
La intensidad del campo o la fuerza del campo eléctrico se indica mediante el espaciado de las líneas. El campo es más fuerte en lugares donde las líneas de campo están más juntas y más débil donde están más dispersas. Las líneas del campo eléctrico asociadas con una carga puntual positiva tienen el siguiente aspecto:
Las líneas de campo de un dipolo se parecen a las de una carga puntual en los bordes exteriores de un dipolo, pero son muy diferentes entre ellas:
•••wikimedia commons
¿Pueden cruzarse alguna vez las líneas de campo eléctrico?
Para responder a esta pregunta, considere lo que sucedería si las líneas de campo se cruzaran.
Como se mencionó anteriormente, los vectores de campo siempre son tangentes a las líneas de campo. Si dos líneas de campo se cruzan, en el punto de intersección habría dos vectores de campo diferentes, cada uno apuntando en una dirección diferente.
Pero esto no puede ser. No puede tener dos vectores de campo diferentes en el mismo punto en el espacio. ¡Esto sugeriría que una carga positiva colocada en esta ubicación viajaría de alguna manera en más de una dirección!
Entonces la respuesta es no, las líneas de campo no se pueden cruzar.
Campos eléctricos y conductores
En un conductor, los electrones pueden moverse libremente. Si hay un campo eléctrico dentro de un conductor, estas cargas se moverán debido a la fuerza eléctrica. Tenga en cuenta que una vez que se muevan, esta redistribución de cargos comenzará a contribuir al campo neto.
Los electrones continuarán moviéndose mientras exista un campo distinto de cero dentro del conductor. Por lo tanto, se mueven hasta que se han distribuido de tal manera que cancelan el campo interior.
Por una razón similar, cualquier carga neta colocada en un conductor siempre se encuentra en la superficie del conductor. Esto se debe a que las cargas similares se repelerán, distribuyéndose uniformemente tan uniformemente y lejos como sea posible. posible, cada uno contribuyendo al campo interior neto de tal manera que sus efectos se anulan entre sí fuera.
Por tanto, en condiciones estáticas, el campo dentro de un conductor es siempre cero.
Esta propiedad de los conductores permiteblindaje eléctrico. Es decir, dado que los electrones libres en un conductor siempre se distribuirán a sí mismos de manera que cancelen la campo adentro, entonces cualquier cosa contenida dentro de una malla conductora estará protegida de la electricidad externa efectivo.
Tenga en cuenta que las líneas de campo eléctrico siempre entran y salen de la superficie de un conductor perpendicularmente. Esto se debe a que cualquier componente paralelo del campo haría que los electrones libres en la superficie se movieran, lo que harán hasta que no haya más campo neto en esa dirección.
Ejemplos de campo eléctrico
Ejemplo 1:¿Cuál es el campo eléctrico a medio camino entre una carga de +6 μC y una carga de +4 μC separadas por 10 cm? ¿Qué fuerza sentiría una carga de prueba de +2 μC en esta ubicación?
Comience eligiendo un sistema de coordenadas donde el positivoXEl eje-apunta hacia la derecha y deja que la carga de +6 μC se encuentre en el origen mientras que la carga de +4 μC se encuentra enX= 10 cm. El campo eléctrico neto será la suma vectorial del campo debido a la carga de +6 μC (que apuntará a la derecha) y el campo debido a la carga de +4 μC (que apuntará a la izquierda):
E = \ frac {(8.99 \ times 10 ^ 9) (6 \ times 10 ^ {- 6})} {0.05 ^ 2} - \ frac {(8.99 \ times 10 ^ 9) (4 \ times 10 ^ {- 6})} {0.05 ^ 2} = 7.19 \ times10 ^ 6 \ text {N / C}
La fuerza eléctrica que siente la carga de +2 μC es entonces:
F = qE = (2 \ times10 ^ {- 6}) (7.19 \ times10 ^ 6) = 14.4 \ text {N}
Ejemplo 2:Una carga de 0,3 μC está en el origen y una carga de -0,5 μC se coloca en x = 10 cm. Encuentre una ubicación en la que el campo eléctrico neto sea 0.
Primero, puede usar el razonamiento para determinar que no puede serEntrelos dos cargos porque el campo neto entre ellos siempre será distinto de cero y apunta a la derecha. Tampoco puede ser para elderechode la carga de -.5 μC porque el campo neto estaría a la izquierda y distinto de cero. Por lo tanto, debe ser para elizquierdade la carga de 0,3 μC.
DejarD= distancia a la izquierda de la carga de 0.3 μC donde el campo es 0. La expresión para el campo neto enDes:
E = - \ frac {k (0.3 \ text {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0.5 \ text {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Ahora resuelves paraD,primero cancelando elk 's:
- \ frac {0.3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0.5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Luego multiplicas para deshacerte de los denominadores, simplificas y haces una fórmula cuadrática:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Resolver la cuadrática daD= 0,34 m.
Por lo tanto, el campo neto es cero en una ubicación de 0,34 m a la izquierda de la carga de 0,3 μC.