El campo eléctrico

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EL CAMPO ELÉCTRICO

1º DE BACHILLERATO

ÍNDICE 3.- Ley de Coulomb

11.- Campo eléctrico

13.- Conductor esférico

22.- Energía potencial eléctrica

24.- Potencial eléctrico

29.- Superficies equipotenciales

33.- Capacidad de un conductor

34.- Campos uniforme

37.- Tabla resumen

39.- Enlace al Universo Mecánico

LEY DE COULOMB (1785)

“La fuerza de atracción o de repulsión ejercida

por una carga puntual sobre otra, está dirigida a

lo largo de la recta que las une, es directamente

proporcional al producto de las cargas e

inversamente proporcional al cuadrado de la

distancia que las separa”.

La fuerza ejercida por q sobre q’ será:

ur

q

, ´ 2

'rq q

q qF k u

r

r

Las fuerzas eléctricas cumplen la

tercera ley de Newton:

Fq,q´= - Fq´,q

, ´ ,́ 2

´q q q q

q qF F k

d

d: distancia entre las cargas

El valor de K depende de las unidades elegidas

y del medio en que se encuentran las cargas.

En el vacío:

K 0 = 9 10 9 N m2/C2 = 1/4 п ε0

siendo ε0 la constante dieléctrica o

permitividad en el vacío.

En otro medio cualquiera K = 1/4 п ε

(εr = ε/ε0 ; k = K 0 /εr )

Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) fue un

físico e ingeniero francés.

Inventó la balanza de Torsión, con la que midió el valor

de la constante de Coulomb K y gracias a la cual el físico

inglés Henry Cavendish pudo medir la constante de

Gravitación Universal G en 1798.

¿Qué relación existe entre los

valores de las interacciones

eléctricas y gravitatorias que se

ejercen entre sí dos cuerpos de

1 kg cargados con +1 C separados

1 m en el vacío?

Sol.: 1,3·10 20

Una esfera metálica de 1 cm de radio se

carga con 8 μ C. Después, toca a otra

esfera igual, pero descargada. Si se las

separa 1 cm (distancia entre sus

superficies), ¿con qué fuerza se repelen?

Sol.: F = 160 N

La carga de un cuerpo es siempre múltiplo de

la carga del electrón (carga elemental).

En el S.I de unidades, la carga se mide en

culombios (C). Un culombio es la carga

eléctrica que atraviesa, por segundo, cualquier

sección de un conductor por el que circula una

intensidad de corriente de un amperio.

q e = - 1,6 10 -19 C (q protón = - q electrón )

CAMPO ELÉCTRICO

Una carga eléctrica crea a su alrededor un

campo de fuerzas llamado campo eléctrico.

Llamamos intensidad de campo en un punto

( ) a la fuerza que ejerce el campo sobre la

unidad de carga positiva colocada en ese

punto. En el S.I se mide en N/C.

E

Para una carga puntual Q, la intensidad de campo

en un punto cualquiera P adopta la expresión:

Q(+) Q(-)

2 r

QE k u

r

ru

La expresión anterior vale también para los

puntos del entorno de un conductor esférico

de radio R, cargada una carga Q, distribuida

uniformemente en la superficie. En este caso

r es la distancia del punto al centro del

conductor.

En el interior del conductor el campo es nulo.

CONDUCTOR ESFÉRICO

La dirección del

campo es radial,

perpendicular a la

superficie de la

esfera. El sentido

depende del tipo

de carga.

+

Si son varias las cargas puntuales, el campo

eléctrico creado en un punto, es igual a la suma

vectorial de los campos creados en ese punto

por cada una de las cargas:

iE E

Si entra en el campo una carga q y se

coloca en un punto donde el campo vale E,

automáticamente se verá sometida a la

fuerza:

F q E

La carga q1 está en el punto P (-3,4), la q2 en

el (-3,0) y la q3 en el (0,0). Si las

coordenadas se dan en metros, calcular la

fuerza resultante sobre la carga q3 ejercida

por las otras dos.

Sol.: F = (4,4∙10-3 i - 0,6∙10-3 j ) N

Calcula la intensidad del campo eléctrico

creado por tres cargas eléctricas

q1 = q2 = 4 C y q3 = -2 C situadas en

(-4,0), (-2,-2) y (0,-4) (m) respectivamente,

en el origen de coordenadas.

¿Qué fuerza actuaría sobre una carga de - 2 C

situada en dicho punto?

Sol.: E = (5432 i + 2057 j ) N/C

F = - 2 E (N)

Las líneas de fuerza de un campo son líneas imaginarias,

tangentes en cada punto al vector campo eléctrico en

este punto.

Las líneas del campo creado por una carga puntual aislada

son radiales. El sentido de las líneas coincide con el de E.

Campo creado

por dos cargas

puntuales

iguales, una

positiva y otra

negativa

E

Campo creado

por dos cargas

iguales.

ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA

Toda partícula cargada situada en un campo

eléctrico posee una energía potencial eléctrica que

depende de su posición en el campo.

Aplicando el cálculo integral y tomando como

posición de energía potencial nula el infinito, se

obtiene que la energía potencial de una carga q

situada a una distancia

r de Q es:

( )p

Q qE r k

r

a) Dos cargas puntuales de Q1 = 30 μ C y

Q2 = - μ 20 C están separadas 40 cm, en el

aire. Calcular el trabajo necesario para

separarlas hasta que la distancia entre ellas

sea de 1 m

b) Con las mismas cargas, calcular ahora el

trabajo realizado por el campo para juntarlas

hasta que la distancia entre ellas sea de 20 cm

Sol. a) W = 8,1 J b) WC = 13,5 J

POTENCIAL ELÉCTRICO

Se llama potencial de un campo eléctrico en un

punto (V) a la energía potencial de la unidad de

carga positiva situada en dicho punto.

Para el caso concreto de

cargas puntuales:

V = k

La expresión anterior se puede utilizar también para

calcular el potencial del campo creado por una esfera

conductora, tanto en su superficie como en su

exterior.

Una carga q situada en un punto de potencial V tiene

la energía potencial : Ep = q V Si el campo está creado por varias cargas puntuales:

V = i

El trabajo que hace el campo cuando se desplaza

una carga q entre dos puntos A y B se puede

calcular a partir de la diferencia de potencial

entre A y B:

Wc = - Δ EP = - q (VB - VA) = q ( VA - VB)

El potencial se mide en voltios. Entre dos puntos

hay una diferencia de potencial de 1 V cuando

para trasladar entre ambos una carga de 1 C hay

que realizar un trabajo de 1 J.

Supongamos una carga q que se desplaza de un

punto A del campo a otro B. El trabajo realizado

por es campo es:

WCAMPO = - Δ Ep = EpA – EpB

Vemos que el campo ayuda (W > 0) cuando la

carga disminuye su energía potencial,

independientemente del signo de la carga.

0

0 :

0 :

C pA pB A B

A B

A B

W cuando E E q V q V

Si q V V

Si q V V

Vemos que el campo ayuda al desplazamiento

de la carga cuando disminuye el potencial, si es

positiva y cuando aumenta el potencial, si es

negativa.

Al moverse un electrón desde un punto A a otro B,

el campo realiza un trabajo igual a 8 ∙ 10 -15 J

a) Calcula la diferencia de potencial entre esos

dos puntos.

b) ¿Cuál de ellos está a un potencial más alto?

(q e = -1,6 ∙ 10 -19 C)

Sol: VA – V B = - 50 000V ; VA < VB

Dos cargas puntuales QA = +10 -10 C Y

QC = - 2 10 -10 C se hallan respectivamente en los

vértices A y C de un cuadrado ABCD de 10 cm de

lado. Calcular el potencial en el centro O del

cuadrado y en el vértice D, si el medio en que se

encuentran las cargas es el aire.

¿Qué trabajo realiza el campo cuando se traslada

una carga Q = 5 10 -9 C desde D hasta C?

Sol.: VO =-12,7 V; VD = -9 V; WC =18,5 109 J

SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

Tienen las siguientes propiedades:

• No se cortan

• El trabajo del campo al trasladar una carga entre dos

puntos sobre la misma superficie equipotencial es nulo.

• Las superficies equipotenciales son perpendiculares al

campo eléctrico en cada punto:

d W = q ∙ E ∙ d r ∙ cos α = 0 cos α = 0 α = 90º

Una superficie equipotencial es aquella cuyos puntos

tienen el mismo potencial.

V1 > V2 > V3

+ Superficies

equipotenciales

(El campo se dirige siempre hacia los

potenciales decrecientes)

+ -

Dos cargas iguales y de signo contrario

CAPACIDAD DE UN CONDUCTOR

Experimentalmente se comprueba que para cada

conductor hay una relación constante entre la carga que

se le comunica y el potencial que adquiere: Q/V = C

La constante de proporcionalidad se llama capacidad del

conductor.

En el S.I de unidades, la capacidad se mide en Faradios

(F). 1 F corresponde a la capacidad de un conductor que,

con una carga de 1 C , adquiere el potencial de 1 V.

Si el conductor es esférico: C = 4п ε R

CAMPOS UNIFORMES

Un campo eléctrico uniforme es aquel cuyo vector E

es constante en todos sus puntos.

Es el caso del espacio entre dos placas planas paralelas,

muy próximas y con cargas iguales pero de signo

contrario (condensador plano). En el espacio entre las

placas las líneas de campo son rectas paralelas

equidistantes y las superficies equipotenciales planos

paralelos a las placas.

Las líneas de fuerza y las

superficies equipotenciales

equidistan entre sí. V1 > V2 > V3

E E

Entre dos placas planas y paralelas separadas

3 cm, se establece una diferencia de potencial de

3 000 V. Un protón, inicialmente en reposo, se

libera de la placa positiva.

Calcula el valor del campo y la velocidad con la que

el protón llegará a la placa negativa.

(m p = 1,67 ∙ 10 -27 Kg, q p= 1,6 ∙ 10 -19 C)

Sol: E = 10 5 N C -1; v = 757 735 m s-1

Repite el problema para el caso de un electrón.

En cada punto

del campo

Acción del campo

sobre una carga q

2 r

QE k u

r

QV k

r

F E q

pE V q

NURIA LÓPEZ VARELA.

I.E.S REY FERNANDO VI (SAN FERNANDO DE HENARES)