Líneas de fuerza e intensidad del campo eléctrico
Introducción
En esta sesión emprendemos el estudio del campo eléctrico que resulta útil para comprender que una carga eléctrica ejerce una fuerza de acción o de repulsión sobre una carga que se coloque en su espacio, aunque en realidad ese espacio es infinito. Aprenderemos que la magnitud del campo eléctrico creado por una carga está definida en función de su magnitud y de la distancia a la que se encuentra el punto en el cual estamos calculando el campo eléctrico. Así, las cargas de mayor magnitud ejercen un campo más fuerte y su intensidad disminuirá en cualquier punto a medida que disminuye la distancia del punto de interés a la carga responsable del campo eléctrico. Aprenderemos también que la existencia de un campo eléctrico en cualquier punto del espacio se puede comprobar colocando en éste una carga y que en la medida que se manifieste una fuerza sobre ella podemos inferir de la existencia o no de un campo eléctrico y de su magnitud.
La dirección del movimiento de nuestra carga de prueba, y puesto que conocemos su signo, también nos informará del signo de la carga eléctrica responsable del campo eléctrico presente. Aún más, apreciamos que para un mismo punto en el espacio en el que se ha demostrado la existencia de un campo eléctrico, comprobaremos que a mayor magnitud de la carga de prueba, mayor la fuerza que actúa sobre ella y viceversa. Así entonces, parece ineludible comparar el campo eléctrico de una carga con el campo gravitacional de un planeta, el nuestro, por ejemplo. Sabemos que a mayor cantidad de masa de un planeta, se incrementa la fuerza con la que atrae los cuerpos y que también esa fuerza en un punto específico es mayor si la masa del objeto que se observa también es mayor, aunque sabemos que las fuerzas eléctricas son de mayor magnitud que las fuerzas gravitacionales.
En esta sesión conoceremos cómo podemos sumar los campos eléctricos de varias cargas utilizando los métodos vectoriales analíticos que ya conocemos y aprendemos que el campo eléctrico tiene una dirección, la cual depende del signo de la carga responsable de éste y que, por lo tanto, el campo eléctrico es una cantidad vectorial. Como tal, como un vector, el campo eléctrico se puede representar por flechas saliendo o entrando de la carga, dependiendo de si la carga es positiva o negativa. La cantidad de líneas que dibujamos en un espacio está también relacionada con la magnitud del campo eléctrico.
Una vez conocido el panorama general de nuestra sesión, ¡iniciemos nuestro estudio! ¡Vamos!
Desarrollo del tema
Concepto de campo eléctrico
El campo eléctrico es la zona de influencia que rodea a una carga eléctrica; es análogo al campo gravitacional que rodea a nuestro planeta. El campo gravitacional de la Tierra actúa sobre las masas ejerciendo sobre éstas una fuerza de atracción. En el caso del campo eléctrico que rodea a una carga, ésta actúa sobre las cargas con una fuerza de atracción o repulsión dependiendo del signo de ambas. Puede afirmarse entonces, Tippens, P. E. (2011:479), que el espacio que rodea a un objeto cargado se altera en presencia de la carga. Por lo tanto, se dice que existe un campo eléctrico en una región del espacio si una carga eléctrica que se coloca en éste, experimenta una fuerza eléctrica.
El siguiente video te será de utilidad para entender de mejor manera el concepto de campo eléctrico.
Campo eléctrico. Concepto y explicación.
Cálculo de la intensidad del campo eléctrico
La intensidad del campo eléctrico E en un punto del espacio suele medirse en términos de la fuerza F ejercida sobre una carga de prueba positiva colocada justamente en ese punto. La magnitud del campo eléctrico está dada por
En esta fórmula la fuerza F se expresa en newtons, la carga q en coulombs y, por lo tanto, las unidades del campo eléctrico E son N/C.
Dado que la intensidad del campo se define tomando como referencia una carga positiva, su dirección en cualquier punto corresponde a la dirección de la fuerza que el campo eléctrico ejercería sobre una carga de prueba positiva que se coloca precisamente en ese punto. Así, el campo eléctrico de una carga positiva se aleja de ésta y el de una carga negativa se dirige hacia ella.
La intensidad del campo eléctrico E a una distancia r de una carga Q se calcula mediante la fórmula:
En esta expresión k=9×109 N
m2/C2, Q se da en [C] y r en [m]. La dirección del campo eléctrico es hacia Q si ésta es negativa y alejándose de Q si es positiva, tal como se indica en la figura 3.2.
En los siguientes videos estudia la manera en la que se calcula la fuerza resultante debido a un sistema de carga, aplicando tus conocimientos para sumar vectores utilizando los métodos analíticos que reafirmamos en la clase digital 1. Observa, escucha y reflexiona los siguientes ejemplos:
- Campo eléctrico. Problema de 2 cargas.
2. Campo eléctrico en el vértice de un cuadrado.
3. Campo eléctrico en el vértice de un triángulo.
Líneas del campo eléctrico
Michael Faraday (1791-1867) ideó un método para representar tanto la magnitud como la dirección de los campos eléctricos mediante líneas imaginarias a las que denominó líneas del campo eléctrico, es decir, “las líneas del campo eléctrico son líneas imaginarias trazadas de tal manera que su dirección en cualqueir punto es la misma que la dirección del campo eléctrico en ese punto” (Tippens, 2011:485).
El video líneas del campo eléctrico (6:49), incluído a continuación, te ayudará a comprender de una manera más visual el concepto que estamos tratando:
La densidad de las líneas del campo eléctrico en una región cualquiera del espacio es una medida de la magnitud de la intensidad del campo eléctrico que existe en esa región. En general se puede decir que las líneas que representan el campo eléctrico resultante en un punto cualquiera del espacio son curvas.
Se aconseja seguir las siguientes reglas para construir las líneas del campo eléctrico:
- La dirección de la línea del campo en cualquier punto es la misma que la dirección en la que se movería una carga positiva si estuviera colocada en ese punto.
- La separación entre las líneas del campo debe ser tal que estén más cercanas cuando el campo sea fuerte y más alejadas cuando el campo sea débil. (Tippens, 2011:486)
Hemos llegado al final de nuestra sesión del campo eléctrico. Te invito a estudiar y reflexionar el contenido de esta clase digital, toma las notas pertinentes y en caso de cualquier duda acude con tu asesor.
Conclusión
Hemos terminado nuestro episodio a través de los campos eléctricos. Ahora conocemos qué es un campo eléctrico y sabemos qué factores determinan su magnitud: si la carga responsable del campo es muy grande, entonces la magnitud de campo eléctrico también se incrementa y si la carga es pequeña, el campo es relativamente más débil; y si la distancia del punto de observación a la carga se incrementa, la manifestación del campo disminuye y en la medida que la distancia del punto investigado se acerca a la carga que provoca el campo eléctrico, la intensidad de éste aumenta.
Ahora entendemos la dirección del campo eléctrico creado por una carga, sea positiva o negativa, y que la dirección la investigamos colocando una carga de prueba positiva: la dirección del campo eléctrico de una carga positiva es alejándose de ella y para una carga negativa la dirección de su campo eléctrico es hacia la carga. Tenemos claro entonces, que un campo eléctrico, por tanto, se puede representar por medio de un vector y que el tamaño de ese vector está directamente relacionado con la magnitud del campo eléctrico. De hecho, utilizamos el método analítico del triángulo, el método analítico del paralelogramo y el método analítico de las componentes rectangulares para sumar los campos eléctricos y calcular así el campo eléctrico resultante.
Por último, si fuera necesario, ahora puedes ilustrar o incluso explicar el concepto de líneas de campo y puedes analizar e interpretar las reglas usadas para construirlas.
En las fuentes de información te he puesto el documento titulado “El campo eléctrico” tomado del libro Física Conceptos y aplicaciones del autor Paul E. Tippens. Léelo, estúdialo y reflexiona acerca de su contenido para profundizar más en tus conocimientos y habilidades para manejar el concepto de campo eléctrico y su representación mediante líneas.
Antes de proseguir con tu curso, resuelve la consigna de este tema cumpliendo con tu entrega en tiempo y forma.
Continuemos nuestras correrías a través del vasto mundo de la Electricidad. Te invito a conocer en la siguiente lección el concepto de Potencial Eléctrico.
¡Ánimo, todo va viento en popa! Ahí te veo.
Fuentes de información
Tippens, P. (2011). El campo eléctrico. En Edamsa Impresiones (Ed.), Física Conceptos y aplicaciones, (p.478-485). Mc Graw Hill.