Lectura sobre la definicin de campo elctrico

LECTURA SOBRE LA DEFINICIN DE CAMPO ELCTRICOCmo viaja una fuerza? La ley de Coulomb permite calcular la fuerza electrosttica que acta sobre una partcula cargada debida a la presencia de otras partculas cargadas. Pero, cmo es que una cosa puede ejercer fuerza sobre otra sin tocarla?, cmo viaja una fuerza en el espacio? Estas preguntas generaron serias dificultades conceptuales que preocuparon a los fsicos desde la poca de Newton.

Con el objeto de aclarar estas ideas, supongamos dos cargas que estn inicialmente separadas por una distancia fija y que de repente una de ellas se mueve acercndose ligeramente a la otra. De acuerdo con la ley de Coulomb, la fuerza entre las dos cargas debe aumentar, pero, al cabo de cunto tiempo se entera una carga del cambio de posicin de la otra? Sin duda que el aumento de la fuerza constituye una seal que no puede viajar instantneamente, ya que es un principio fundamental de la fsica basado en la teora de la relatividad que ninguna seal puede propagarse a una rapidez mayor que la de la luz.

Podemos decir que la comunicacin entre las cargas ocurre mediante una perturbacin electromagntica que viaja a travs del espacio a la velocidad de la luz. Esta perturbacin posee componentes elctrica y magntica y se denomina campo electromagntico. En el caso de cargas en reposo, podramos imaginar que la presencia de una carga hace que, a su alrededor el espacio est modificado por un campo elctrico. De modo que, cuando colocamos otra carga en la regin donde ya existe el campo, se ejerce sobre ella una fuerza elctrica.

Las cargas se ejercen fuerzas mutuas por medio del campo que ellas generan en el espacio que las rodea. El campo elctrico sirve de mediador de la fuerza de acuerdo al esquema:

Los campos elctricos generados por las cargas que interactan pueden ser diferentes pero las fuerzas sobre cada carga son de igual magnitud y forman un par de accin y reaccin, de acuerdo con la tercera ley de Newton.

El concepto fsico de campo

Las cargas elctricas no precisan de ningn medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ah que las fuerzas elctricas sean consideradas fuerzas de accin a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situacin de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripcin en trminos fsicos de la influencia que uno o ms cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.

La nocin fsica de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas ste viene a ser aquella regin del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. As, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sita, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo anlogo la fsica introduce la nocin de campo magntico y tambin la de campo elctrico o electrosttico.En general, un campo es una propiedad fsica que existe en una regin del espacio generada por un atributo de algn objeto. As tambin podemos decir que una masa M genera en cada punto del espacio una propiedad fsica llamada campo gravitatorio.

As pues, en cualquier marco de referencia donde una carga elctrica estacionaria experimenta una fuerza, existe por definicin un campo elctrico. Este campo proporciona informacin sobre la fuerza elctrica que actuara si se colocase una carga en un punto. De manera que podemos investigar el campo elctrico que rodea a una carga o a un grupo de cargas, midiendo la fuerza que se ejerce sobre una pequea carga testigo, de ensayo o de prueba, de valor conocido qo. En este sentido, la presencia de la carga de ensayo no debe alterar la distribucin original de cargas, por lo que qo debe ser infinitesimalmente pequeo o no deben existir cuerpos conductores cercanos a ella.

Por tanto, se define el vector campo elctrico en cualquier punto del espacio como la fuerza elctrica F que acta sobre una carga de prueba colocada en ese punto, dividida entre el valor de esta carga de prueba qo, es decir:

De acuerdo con la definicin anterior, la unidad en el sistema internacional para el campo elctrico es el Newton/Coulomb (N/C).La expresin del campo E puede obtenerse fcilmente para el caso sencillo del campo elctrico creado por una carga puntual Q sin ms que combinar la ley de Coulomb con la definicin de E. La fuerza que Q ejercera sobre una carga de prueba positiva en un punto genrico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, por:

Combinando esta expresin con la definicin de campo, es posible determinar su valor en la forma:

Donde F es la fuerza calculada mediante la ley de Coulomb entre la carga central Q y la carga de prueba qo empleada como elemento detector del campo. Es decir:

A partir del valor de E debido a Q en un punto P y de la carga q situada en l, es posible determinar la fuerza F en la forma:

Expresin que indica que la fuerza F entre Q y q es igual a q veces el valor del campo E en el punto P.Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variacin con la posicin hace ms sencillos los clculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas, donde se requiere la aplicacin del principio de superposicin.

Lectura sobre representacin grfica de campos elctricos Es posible conseguir una representacin grfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas lneas de fuerza. Son lneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en direccin de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo elctrico, las lneas de fuerza indican las trayectorias que seguiran las partculas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo elctrico ser un vector tangente a la lnea de fuerza en cualquier punto considerado.

Para representar entonces los campos elctricos, a menudo se suele utilizar un recurso visual inventado por Faraday, que consiste en dibujar las referidas lneas de fuerza ( lneas de campo), las cuales permiten visualizar los patrones de campo elctrico y se relacionan con el mismo en cualquier regin del espacio, atendiendo a los siguientes criterios:- La direccin de E en un punto est indicada por la direccin de la tangente a la lnea en ese punto.

- La magnitud de E est dada por la densidad de lneas. Es decir, a menor separacin de lneas vecinas, ms fuerte ser el campo, y a mayor separacin ms dbil ser el campo.

- Las lneas de campo elctrico se originan en cargas positivas y terminan en cargas negativas, pero si la carga neta no es cero, las lneas pueden comenzar o terminar en el infinito.

- El nmero de lneas que emergen o terminan en una carga es proporcional a la magnitud de la carga.

- Ningn par de lneas de campo pueden cruzarse o tocarse.

Una carga puntual positiva dar lugar a un mapa de lneas de fuerza radiales, pues las fuerzas elctricas actan siempre en la direccin de la lnea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas mviles positivas se desplazaran en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de lneas de fuerza sera anlogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas, las lneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son manantiales o fuentes y las segundas sumideros de lneas de fuerza. Esto se evidencia en la siguiente figura:

A continuacin se muestran varias representaciones de campos elctricos para distintas configuraciones de carga.

Dipolo elctrico

Cargas alineadas

Plano de cargas

Planos paralelos de cargas opuestas

Desventajas de las lneas de campo

- Solo brindan una descripcin cualitativa del campo elctrico E, luego cuando dibujamos un nmero de lneas finito desde cada carga hace que el campo pareciera que estuviese cuantizado, o que fuese discreto, cuando en realidad es continuo (existe en todo punto del espacio)

Lectura sobre campos elctricos estticos en conductores Un conductor metlico contiene electrones libres. Esto trae como consecuencia que cuando el conductor est en equilibrio electrosttico, es decir, cuando no hay movimiento neto de carga en su volumen, presenta ciertas propiedades que tienen implicaciones prcticas muy interesantes:a. En todo punto del interior del conductor E es nulo.

Supongamos que se coloca un trozo de metal en estado neutro en una regin que estaba previamente afectada por un campo elctrico uniforme (Eext). Los electrones libres dentro del metal experimentan una fuerza en direccin opuesta a la del campo externo, como se ilustra en la figura 1a:

Figura 1

Como consecuencia, se acumulan cargas negativas en la superficie de la izquierda y aparece una carga positiva (deficiencia de electrones) en la superficie derecha (ver figura 1b). Al cesar el flujo de cargas (lo cual sucede en un lapso de tiempo sumamente pequeo), el campo Eint generado por la distribucin de carga inducida anula al campo externo, dando lugar a un campo neto nulo (figura 1c).

b. En la superficie de un conductor cargado en equilibrio E es perpendicular a dicha superficie

En efecto, si el campo elctrico E tuviera una componente paralela a la superficie, esto hara que las cargas libres superficiales se movieran, creando una corriente y una situacin de no equilibrio.

Figura 2c. Cualquier exceso de carga que haya en un conductor aislado se distribuye en su superficie

La cancelacin del campo elctrico en el interior de un conductor tambin ocurre cuando el conductor est cargado. Las cargas en exceso se repelen mutuamente y en virtud de que son libres de moverse se alejan hasta donde puedan, alcanzando rpidamente una ubicacin de equilibrio.

En la situacin final de equilibrio el exceso de cargas aparecer distribuido sobre la superficie del conductor. La distribucin exacta de las cargas ser aquella para la cual se anula el campo elctrico en el interior del conductor. Si ste es esfrico la distribucin ser uniforme. Si el conductor tiene superficies puntiagudas, la densidad de cargas ser mayor en esas regiones. Este es un comportamiento caracterstico de todos los conductores.

Figura 3

Ejemplo: Blindaje electrosttico. An cuando los conductores presenten cavidades internas, el campo elctrico ser nulo en la regin hueca del conductor. Podemos ilustrar esta situacin considerando un bloque metlico en presencia de un campo externo, como se ilustra en la figura 4a.

Figura 4

Como el campo dentro del metal es cero y no hay cargas desbalanceadas dentro del metal, podramos hacer una cavidad extrayendo un trozo de este material, sin afectar en absoluto la configuracin del campo (figura 4b). Por consiguiente, dentro de la superficie de la cavidad del metal, el campo elctrico ser nulo. Esto quiere decir que la regin de la cavidad no ser alcanzada por los efectos elctricos producidos exteriormente.

Este resultado tiene interesantes implicaciones prcticas. Si queremos proteger un objeto contra las influencias elctricas externas, lo encerramos dentro de una cubierta metlica (blindaje electrosttico). El blindaje es efectivo an en el caso de que la superficie presente pequeos orificios, como cuando se trata de una malla metlica formando una especie de jaula (Jaula de Faraday).

La siguiente figura muestra un automvil que es alcanzado por los rayos de una tormenta. La persona en el interior del automvil est a salvo, gracias a que los electrones se distribuyen sobre la superficie del metal para que las contribuciones al campo interno se cancelen a cero.

Figura 5

Observe que contra el campo gravitacional no hay forma de protegerse. Esto es debido a que la gravedad slo atrae. No existe una parte que repela y contrarreste la parte atractiva._1204638775.unknown

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