3.1.2 Líneas de campo eléctrico

Todos los cuerpos electrizados tienen a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influencia. Como el campo eléctrico no se puede ver, el inglés Michael Faraday introdujo en  el concepto de líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico.

Las líneas de campo eléctrico pueden representarse gráficamente, lo cual resulta de gran utilidad, ya que permite visualizarla. Para esto, se debe considerar que la líneas de campo emergen de un cuerpo con carga positiva y, en uno con carga negativa, entran. En las siguientes figuras se muestran las líneas de campo en una sola carga pintual; las líneas se aproximan más entre ellas cuanto más cerca se encuentran de la carga, ya que la intensidad del campo aumenta.

Figura 3.4: a) líneas de campo en una carga positiva: emerge de forma radial en                                                                                  todas direcciones. b) líneas de campo en una carga negativa: entran en forma radial de todas direcciones.

b)

a)

Cuando se trata de 2 cargas puntuales, cuyos campos se aproximan e interactúan, la distribución de las líneas de campo depende de la magnitud y tipo de carga del cuerpo electrizado.

La figura 3.5 muestra las líneas de campo eléctrico de 2 cargas puntuales de igual magnitud perro opuestas. En este caso, el mismo numero de líneas de campo que salen de la carga positiva ( vrtedero) terminan en la carga negativa (sumidero). Esta configuración de cargas opuestas y de igual magnitud se conoce como dipolo eléctrico.

                       Figura 3.5: líneas de campo entre 2 cargas puntuales opuestas y de igual magnitud.

 Cuando las cargas puntuales tienen diferente magnitud, no todas las líneas de campo que surgen de la carga positiva llegan a la carga negativa, algunas se pierden en el infinito.

En caso de que las cargas eléctricas sean de igual magnitud y del mismo signo, positivas o negativas, los campos se repelen.

En caso de que las cargas eléctricas sean de igual magnitud y del mismo signo, positivas o negativas, los campos se repelen.

 

3.1.3 Potencial eléctrico

Recuerda que el trabajo en los sistemas mecánicos significa que una fuerza desplaza un objeto. De la misma manera, en un sistema eléctrico, se realiza un trabajo cuando una diferencia de potencial hace que una carga se mueva.

Algunos dispositivos, como motores rotativos, lámparas fluorescentes  radios y cafeteras, hacen trabajo útil cuando la diferencia de potencial desplaza una carga. En cada uno de los casos citados, no se puede ver el trabajo eléctrico realizado, solo se ven los resultados de ese trabajo. Por ejemplo, en los motores, el trabajo eléctrico produce calor, hace girar cigueñales y crea luz y sonido.

3.1.3.2 Potencial

Existe una propiedad fisica que nos permite predecir la energía potencial de una carga causada por otra carga situada en cualquier punto. Esta propiedad del espacio que rodea una carga se conoce como potencial y se define como sigue:

  El potencial eléctrico “V” en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo “T” que se necesita realizar para transportar la unidad de carga positiva “q” desde el potencial cero hasta el punto considerado.

    Con base alas definiciones anteriores y considerando que la energía potencial es igual al trabajo: el potencial eléctrico V se expresa matemáticamente por:

V= Ep/q

Donde:

V= potencial eléctrico expresado en volts (V)

Ep=energía potencial expresada en joules (J)

Q= carga expresada en coulombs (C)  

Se tiene un potencial de 1 volt cuando una carga de 1 coulomb posee una energía potencial de 1 joule:

1 V= 1J/C

Resulta de mucha utilidad también calcular el potencial eléctrico directamente sin tener que recurrir a la energía potencial. A continuación, se deduce la formula para calcular el potencial de esta manera.

Según lo estudiado, la intensidad del campo eléctrico E. producido por una carga Q sobre una carga de prueba q. se calcula mediante.

E= F/q

Al despejar F de esta ecuación obtenemos:

F= Eq

Sabemos que la energía potencial (Ep) es igual al trabajo (T), y este, a su vez, se expresa por:

Ep= T= Fd

Si sustituimos el valor de F(Eq) en la ecuación anterior, obtenemos:

Ep= Eqd          De aquí se deduce que       Ep/q= Ed

Como Ep/q= potencial, este puede quedar enunciado también por:

V= Ed

Recordemos que el valor de la intensidad del campo eléctrico debido a la carga Q esta dada por:

E= kQ_

    (R₁)²

Si sustituimos el valor E en la ecuación (V= Ed), tendremos:

V= kQ_(d)

       (r₁)²

Puesto que d y r se refieren a la distancia de un punto en un campo eléctrico, la expresión anterior queda como:

V= kQ_

   r

esta ecuación nos permite calcular el potencial eléctrico de una carga.

Donde:

V= potencial eléctrico en vlots (v)

k= 9 X 10⁹ Nm²/C²

Q= carga eléctrica en coulombs (C)

r= distancia en metros (m)

la expresión V=Ed nos permite calcular el valor de un campo eléctrico originado por dos cargas de igual magnitud pero de signo contrario, partiendo de la diferencia de potencial entre ambas cargas.

Es importante tener presente que, cuando una carga es positiva, su potencial eléctrico es positivo y, si la carga es negativa, su potencial también lo es.

El potencial eléctrico V de una carga q es el mismo en todos los puntos que se encuentran ala misma distancia de su centro. La figura representa una carga puntual positiva Q y una carga de prueba positiva q que es obligada a desplazarse hasta un punto situado a una distancia r de la carga Q en contra de su repulsión.

 Los círculos concéntricos que se ven en la figura son líneas equidistantes al centro de la carga, estas se conocen como líneas equipotenciales y son siempre perpendiculares a las líneas de campo eléctrico.

Cuando una carga se desplaza en una línea equipotencial no realiza trabajo y los valores del potencial eléctrico son iguales.