CAMPO ELECTRICO Y POTENCIAL ELECTROSTATICO

“CAMPO ELECTRICO Y POTENCIAL ELECTROSTATICO”

En la presente práctica se llevaron a cabo tres experimentos, en los cuales se observaron y analizaron los fenómenos de “Detección del campo eléctrico indirectamente”, “la materialización de las líneas de fuerza” y “el comportamiento de un campo eléctrico en las cercanías de un campo electrostático”. Fue una gran experiencia, ya que utilizando el poder de análisis y reflexión, se pudo obtener la magnitud del campo eléctrico en un dispositivo simple y sencillo, así como su potencial eléctrico. De igual forma, se visualizó claramente las líneas de campo eléctrico que rodeaban un electrodo de carga negativa, cosa curiosa, ya que se sabe que estas líneas son invisibles, pero de este modo pudimos comprobar que si existen, que son medibles y que producen energía.

Palabras clave: Campo eléctrico, potencial eléctrico, líneas de fuerza de campo eléctrico, energía, trabajo.

INTRODUCCION TEORICA

CAMPO ELECTRICO

El campo eléctrico es un concepto similar al de campo gravitacional. En ambos existe una fuerza que actúa a distancia, lo que no fue fácil de aceptar para los pensadores antiguos. La idea de campo se extiende de toda carga hacia fuera e invade todo el espacio. Cuando se coloca una segunda carga cerca de la primera, “siente” una fuerza debida a que el campo eléctrico está allí. Se considera que el campo eléctrico en el lugar de la segunda carga interactúa directamente con esa carga para producir la fuerza.

En otras palabras, el campo eléctrico es una propiedad del espacio que rodea a una carga eléctrica y conforma un espacio vectorial, de tal manera que todo punto perteneciente a dicha región se caracteriza por un vector denominado campo eléctrico.

Se puede medir y cuantificar el campo eléctrico que rodea una carga, un grupo de cargas o una distribución continúa de cargas, midiendo la fuerza sobre una carga de prueba positiva y pequeña. Por carga de prueba debe entenderse una carga positiva tan pequeña que no altere la distribución de las demás cargas, que son las que provocan el campo que se está midiendo.

Supongamos una carga única Q, a la cual deseamos medir su campo eléctrico, mediante la colocación de una carga de prueba q (positiva y pequeña) en los puntos a, b y c

Sabemos que las fuerzas se dirigen radialmente hacia fuera de Q y que su magnitud está dada por la Ley de Coulomb.

El campo eléctrico en cada uno de esos puntos a, b y c se define en términos de la fuerza sobre esa carga de prueba q.

El campo eléctrico se representa por E, en cualquier punto del espacio, se define como la fuerza F que ejerce sobre una carga de prueba en ese punto, dividida entre la magnitud q de esa carga de prueba:

E = F/q

Notemos que esta definición es similar a la de campo gravitacional, en que g es el campo gravitacional y Fg es la fuerza gravitacional que actúa sobre una masa de prueba m:g= Fg/m

Con esta definición, vemos que la dirección de campo eléctrico en cualquier punto del espacio se define como la dirección de la fuerza sobre una carga positiva de prueba en ese punto. La magnitud de campo eléctrico es la fuerza por unidad de carga, de modo que E se mide en Newton/Coulomb (N/c).

Muchos fenómenos eléctricos se relacionan con al transferencia de grandes cantidades de energía. Por ejemplo, cuando un relámpago proveniente de una nube choca contra la Tierra se libera una energía de 108 J en forma de luz, sonido, calor y onda de choque. ¿De dónde proviene esta energía y como se almacena en las nubes? Es así, pues, que hay que considerar la energía relacionada con las fuerzas eléctricas. La ley de la fuerza electrostática es:

F = k q1 q2

r2

Energía potencial eléctrica

Para obtener la energía generada por la interacción de dos fuerzas eléctricas, teniendo en cuenta que la fuerza electrostática es conservativa, se puede calcular el cambio de energía potencial cuando una carga q2 pasa por el punto a al punto b, sometida a la fuerza proveniente de otra carga q1 en reposo. Supongamos, por ahora, que ambas cargas son positivas. En la ilustración se muestra la geometría del proceso; suponiendo que el movimiento de a a b se realiza en la línea que conecta q1 y q2; suponemos que el origen está en la posición de q1 y con r representamos la posición de q2 en relación con este origen. El vector ∂ representa un desplazamiento infinitesimal en dirección del movimiento de a a b. La Fuerza F y el desplazamiento ∂s siempre son paralelos en este movimiento, así que F ◦ ∂s = F ∂s.

El potencial eléctrico

Imagine una carga q fija en el origen de un sistema coordenado. Tomamos otra carga q0, que denominamos carga de prueba y la pasamos de ra a rb bajo la influencia de la fuerza debida a q. El cambio de energía potencial ΔU de este sistema de dos cargas está dado por la ecuación:

ΔU = Ub – Ua= 1 q1q2 [ 1 – 1]

4∏ε0 rb ra

Si quisiéramos aplicar una carga de prueba dos veces más grande, obtendríamos el doble del cambio de la energía potencial; una carga de prueba tres veces mayor nos daría el triple del cambio de la energía potencial.

La variación de la energía potencial es directamente proporcional a la magnitud de la carga de prueba, es decir, la magnitud ΔU/q0 no depende de la cantidad de la carga de prueba y caracteriza exclusivamente a la carga central q. Definimos la diferencia de potencial eléctrico, ΔV, como la diferencia de la energía potencial eléctrica por unidad de carga de prueba:

ΔV = ΔU/ q0

o bien:

Vb – Va = Ub – Ua

q0

A semejanza de la energía potencial, el potencial eléctrico es un escalar. Con el uso de la relación entre trabajo y energía potencial, podemos escribir la definición de la diferencia de potencial, así:

ΔV = Wab/q0

Donde Wab es el trabajo efectuado por la fuerza electrostática que q ejerce sobre q0 cuando la carga de prueba pasa de a a b. Definimos una elección apropiada del punto de referencia de la energía potencial

(digamos Ua = 0 con una separación inicial infinita entre las cargas); para la energía potencial de una configuración en particular y no el cambio de la energía potencial para el cambio de una configuración. Lo mismo podemos hacer en el caso del potencial eléctrico. Sólo sus diferencias tienen importancia física, por lo cual podemos escoger a discreción el punto cero y su valor de referencia. Cuando se supone que el potencial es cero en los puntos separados de q por una distancia infinita,

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