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Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 1 Unidad 1 Electrostática Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 2 1.1 |Electricidad Uno de los fenómenos naturales más abundantes en la tierra son las tormentas eléctricas. La descarga eléctrica o chispa eléctrica que llega a tierra recibe el nombre de rayo y la chispa que va de una nube a otra, se llama relámpago, aunque normalmente los dos son usados como sinónimos del mismo fenómeno. La aparición del rayo es solo momentánea, seguida a los pocos segundos por un trueno causado por la expansión brusca del aire que rodea al rayo debido al aumento de la temperatura. Los fenómenos eléctricos son estudiados por la electrostática, rama de la física, que estudia las cargas eléctricas en reposo, las fuerzas que se ejercen entre ellas y su comportamiento en el interior de los materiales. Es importante considerar que la electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados y que a partir de 1820, con la experiencia de Hans Christian Oersted, con corrientes eléctricas, se inicia el electromagnetismo, rama de la física que estudia la relación entre ambos fenómenos. Sin embargo, en este capítulo estudiaremos inicialmente los fenómenos eléctricos a modo de introducción al electromagnetismo. 1.2 |Cargas eléctricas Probablemente fueron los antiguos filósofos griegos, – particularmente Tales de Mileto (624 a 543 a.C.) – los primeros en observar fenómenos eléctricos. Unos 500 años antes de Cristo, comprobaron que cuando frotaban con piel de animal un trozo de ámbar (un tipo de resina fósil), esta era capaz de atraer algunos objetos muy livianos como semillas secas. La palabra electricidad proviene del término élektron, palabra con que los griegos llamaban al ámbar. Se ha determinado que entre electrones y protones existen fuerzas mutuas, además de las gravitatorias debidas a su masa, que se explican adjudicándoles una propiedad llamada carga eléctrica o electricidad, con una diferencia fundamental ya que las fuerzas gravitatorias son solamente atractivas, mientras que las eléctricas pueden ser atractivas o repulsivas. Existen dos tipos de cargas eléctricas, las positivas y las negativas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen. Esta atracción o repulsión es originada por fuerzas de origen eléctrico. Un cuerpo se carga eléctricamente cuando se produce un traspaso de electrones de un cuerpo a otro, el cuerpo con exceso de electrones se carga negativamente, mientras que el cuerpo con carencia de electrones se carga positivamente, ya que la carga no se crea ni se destruye. Además de estas fuerzas gravitatorias y eléctricas que dependen de la distancia entre las partículas, hay otras que dependen del movimiento relativo y dan lugar a fenómenos magnéticos. La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 3 energéticos más favorables, o cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como por ejemplo, ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Van Allen. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico, existiendo una clasificación de los distintos materiales denominada serie triboeléctrica. La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, y en la industria automotriz para el pintado de automóviles entre otros. Los circuitos integrados pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Los fabricantes usan una serie de dispositivos antiestáticos para la manipulación con el objeto de evitar estos daños. Es posible cargar eléctricamente cualquier material sólido frotándolo con otro material. Una persona se electriza (se carga eléctricamente) al arrastrar los zapatos sobre una alfombra de nailon, cuando se sienta en una silla plástica, cuando se pone o saca un buzo, etc. Este fenómeno en especial, tiene mucha importancia en atmósferas explosivas. Por ejemplo, En una estación de servicios, se acumulan cargas eléctricas cuando un camión cisterna realiza el transvase del combustible al tanque de almacenamiento bajo tierra, si el camión no está debidamente aterrizado (puesto a tierra mediante una jabalina: un electrodo de dispersión de corriente a tierra), puede producirse un arco eléctrico y la consiguiente ignición de los vapores de gasolina. También tiene gran relevancia en la manufactura de aparatos electrónicos y en los servicios técnicos electrónicos, razón por la cual el personal que manipula placas o circuitos integrados debe estar conectado a tierra a través de una pulsera antiestática. El efecto es de una importancia industrial considerable en términos de la seguridad y del daño potencial a los productos manufacturados. La chispa producida puede completamente encender los vapores inflamables, como ser gasolina o éter etílico utilizado como anestésico, por lo cual se deben encontrar métodos para descargar los carros que transportan tales líquidos en hospitales. Incluso donde solamente se produce una carga pequeña, ésta puede dar lugar a las partículas de polvo que son atraídas a la superficie frotada. En el caso de la fabricación del textil esto puede conducir a una marca mugrienta permanente donde se ha cargado el paño. Algunos dispositivos electrónicos, como sucede con los circuitos integrados tipo CMOS y los transistores tipo MOSFET, se pueden destruir accidentalmente por descarga estática de alto voltaje. Tales componentes se almacenan generalmente en una espuma conductora para su protección. Cuando el usuario se conecta a tierra tocando la mesa de trabajo, o usando una pulsera especial en la muñeca (o tobillo), se reduce el daño a los dispositivos electrónicos que son sensibles a las descargas electrostáticas. Figura 1. Pulsera antiestática para drenar a tierra las cargas eléctricas acumuladas en el cuerpo. Esta pulsera tiene una resistencia eléctrica de 1 MΩ para evitar le electrocución en caso de conectarla a un conductor vivo. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 4 Resumiendo, se llama carga eléctrica (q) al exceso o déficit de electrones que posee un cuerpo respecto al estado neutro. La carga eléctrica permite cuantificar el estado de electrización de los cuerpos siendo su unidad mínima la carga del electrón –e (o la carga del protón, e). Esto significa que la carga eléctrica q de un cuerpo está cuantizada y se puede expresar como nq, en que n es un número entero (incluyendo el cero). Todo carga Q presente en la naturaleza, puede representarse de la siguiente manera: Q = ±ne, sin embargo, en sistemas macroscópicos n es un número muy grande y la carga parece ser continua, del mismo modo que el aire parece ser un medio continuo pero en realidad está formado por moléculas discretas. Al frotar una barra plástica con un trozo de piel se transfieren aproximadamente 1010 electrones a la barra (un número muy grande). Por esto, como la carga del electrón es muy pequeña, se utiliza un múltiplo de ella: el coulomb [C], que es la carga obtenida al reunir 6,24x1018 electrones. 1C = 6,24x1018 electrones Si realizamos una regla de tres simple podremos obtener el valor de carga de un electrón expresado en coulomb: 1e = 1,602177x10-19 C Existen tres formas básicasde modificar la carga neta de un cuerpo: electrización por frotamiento, contacto e inducción. En todos estos mecanismos siempre está presente el principio de conservación de la carga, que nos dice que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, solamente se transfiere de un cuerpo a otro. En otras palabras: La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante. 1.2.1 |Formas de cargar un cuerpo eléctricamente: a. Frotamiento: En la electrización por fricción, el cuerpo menos conductor extrae electrones de las capas exteriores de los átomos del otro cuerpo quedando cargado negativamente y el que pierde electrones queda cargado positivamente. b. Contacto: En la electrización por contacto, el que tiene exceso de electrones (carga -) traspasa carga negativa al otro, o el que tiene carencia de ellos (carga +) atrae electrones del otro cuerpo. Ambos quedan con igual tipo de carga. c. Inducción: Al acercar un cuerpo cargado al conductor neutro, las cargas eléctricas se mueven de tal manera que las de signo igual a las del cuerpo cargado se alejan en el conductor y las de signo contrario se aproximan al cuerpo cargado, quedando el conductor polarizado. Si se hace contacto con Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 5 tierra en uno de los extremos polarizados, el cuerpo adquiere carga del signo opuesto 1.3 |Estructura atómica Toda la materia que existe en el universo está compuesta por moléculas y ésta a su vez por átomos; la molécula es la partícula más pequeña que conserva la propiedad de la materia. Los átomos, están formados por electrones, cargados negativamente; protones, cargados positivamente, y neutrones, de carácter neutro. Por supuesto éstos a su vez están constituidos por otras subpartículas que se encuentran fuera del alcance de nuestro estudio llamadas quarks, que tienen cargas de ±1/3 y ±2/3 de la carga del electrón. No se han observado quarks aislados, y no hay razones teóricas para suponer que en principio esto sea imposible. La carga negativa del electrón es de igual magnitud que la carga positiva del protón. Los protones y neutrones forman un grupo compacto llamado núcleo, que tiene una carga neta positiva debido a los protones. Fuera del núcleo y a distancias relativamente grandes de él, se encuentran los electrones cuyo número es igual al de los protones, por lo cual el átomo en conjunto es eléctricamente neutro. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas es cero. Las masas del protón y del neutrón son aproximadamente iguales, y la masa del protón es unas 1836 veces la del electrón. Por lo tanto casi toda la masa de un átomo está concentrada en su núcleo. Si a un átomo se le extraen uno o más electrones, éste queda cargado positivamente y recibe el nombre de catión o ion positivo. De igual manera si gana uno o más electrones, se llama anión o ion negativo. El proceso de perder o ganar electrones se denomina ionización. El número de protones o electrones en un átomo neutro de un elemento se denomina número atómico del elemento y se lo denomina con la letra Z. La carga de un cuerpo se refiere únicamente a un exceso de carga negativa o positiva. Átomo de Litio Anión de Litio Catión de Litio Figura 2. Estructura atómica del átomo de Litio. Modelo de Bohr. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 6 1.4 |Conductores y aislantes eléctricos Ciertos materiales permiten que las cargas eléctricas se muevan con facilidad de una región del material a la otra, mientras que otros no lo hacen. Los conductores permiten el movimiento fácil de las cargas a través de ellos; mientras que los aislantes no lo hacen. Por ejemplo, las fibras de una alfombra en un día seco son buenos aislantes. Cuando usted camina sobre ella, la fricción de los zapatos contra las fibras hace que la carga se acumule en su cuerpo y ahí permanezca, porque no puede fluir por las fibras aislantes. Si después usted toca un objeto conductor, como la manija de una puerta, ocurre una transferencia rápida de la carga entre sus dedos y la manija, por lo que siente una descarga. Una solución para evitar esto sería cubrir la alfombra con una sustancia antiestática que no transfiera fácilmente electrones hacia los zapatos o desde éstos; así se evita que se acumulen cargas en el cuerpo. La mayor parte de metales son buenos conductores; en tanto que los no metales son aislantes en su mayoría. Dentro de un sólido metálico, como el cobre o aluminio, uno o más de los electrones externos de cada átomo se liberan y mueven con libertad a través del material, en forma parecida a como las moléculas de un gas se desplazan por los espacios entre los granos de un recipiente de arena. El movimiento de esos electrones con carga negativa lleva la carga a través del metal. Los demás electrones permanecen unidos a los núcleos con carga positiva, que a la vez están unidos en posiciones casi fijas en el material. En un material aislante no hay electrones libres, o hay muy pocos, y la carga eléctrica no se mueve con facilidad a través del material. Algunos materiales se denominan semiconductores porque tienen propiedades intermedias entre las de buenos conductores y buenos aislantes. 1.5 |Cargas Puntuales Muchos fenómenos físicos admiten ser tratados mediante un modelo de partícula. Por ejemplo, la órbita de la tierra alrededor del sol, analizada desde la teoría de gravitación universal, puede determinarse con exactitud suponiendo que la tierra es una partícula. En tal caso, suponemos que la masa de la tierra está concentrada en un “punto”. Este tipo de modelado puede emplearse cada vez que las dimensiones espaciales del cuerpo resulten muy pequeñas comparadas con las distancias involucradas en el fenómeno analizado (el radio terrestre es aproximadamente 6.400 km, mientras que la distancia media tierra-sol es de 150.000.000 km). El mismo criterio puede utilizarse en electrostática. Cuando la carga eléctrica reside sobre un cuerpo cuyas dimensiones son muy pequeñas comparadas con las distancias de interacción, podemos modelar al cuerpo como una partícula puntual. Es habitual la denominación “carga puntual” para referirse al caso en que la carga eléctrica reside sobre un cuerpo puntual. Es importante remarcar que las cargas puntuales solo existen en los modelos teóricos para simular los fenómenos físicos, pero no existen en realidad. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 7 1.6 |Ley de Coulomb La interacción eléctrica entre dos partículas cargadas se describe en función de las fuerzas que ejercen una sobre otra. Figura 3. Fuerzas ejercidas entre dos partículas con cargas eléctricas puntuales. DEFINICION: La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Entonces, la magnitud de la fuerza entre dos cargas puntuales es: 2 0 r qq kF Donde q y q0 son el valor de las cargas y r la distancia que las separa. k es una constante de proporcionalidad y vale: 2 2 910.988,8 C Nm k O también: o k 4 1 εo (épsilon sub cero) es otra constante, denominada permitividad del vacío y vale: εo = 8,854185x10-12 [C2/Nm2] La unidad de carga, como ya se explicó, es la magnitud de carga de un electrón o de un protón y esta cantidad se expresa por e: e =1,60x10-19C r + + q q0 1 F 2 F r + - q q0 1 F 2 FLey de Coulomb, fuerza entre dos cargas puntuales (1.1) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 8 La dirección de la fuerza sobre cada partícula está siempre sobre la línea que las une, tirando de las partículas para unirlas, en caso de cargas distintas o empujándolas para que se separen, en el caso de cargas de igual signo. El módulo de la fuerza incluye el valor absoluto del producto de las cargas en el caso de que éstas sean de distinto signo. La ley de Coulomb se expresa habitualmente como: 2 0 4 1 r qq F o Es importante destacar que en la ley de Coulomb solo se considera la interacción entre dos cargas puntuales a la vez; la fuerza que se determina es aquella que ejerce una carga q sobre otra q0, sin considerar otras cargas que existan alrededor. Además, debemos tener en cuenta que el signo de las cargas nos indicará si la fuerza es de atracción (cargas con distinto signo) o de repulsión (cargas con igual signo). El sentido y dirección de la fuerza neta se infiere a partir del diagrama de fuerzas. En problemas de electrostática (es decir, aquellos que implican cargas en reposo), es muy raro encontrar cargas tan grandes como de 1 coulomb. Los valores más comunes de cargas fluctúan entre 10-9 hasta 10-6 C. Es frecuente usar al micro coulomb (1 µC = 10-6 C) y al nano coulomb (1 nC = 10-9 C) como unidades de cargas prácticas. 1.6.1 |La conexión a tierra La Tierra, nuestro planeta, se considera un cuerpo eléctricamente neutro y por su gran tamaño, tiene la capacidad de neutralizar a cualquier cuerpo cargado que pongamos en contacto con él. En efecto, la Tierra puede neutralizar a un cuerpo positivo “dándole electrones” o a uno negativo “quitándole electrones”. En ambos casos la Tierra, por su gran cantidad de materia, no altera su condición de neutro. Cuando un cuerpo se conecta a Tierra, se emplea el siguiente signo: Figura 4. Símbolo de conexión a tierra. Por ejemplo, si un cuerpo con cargas positivas se conecta a Tierra, se neutralizará porque electrones subirán desde Tierra. Del mismo modo, si un cuerpo cargado negativamente se conecta a Tierra, los electrones bajarán a ella. El conectar un cuerpo a tierra garantiza que su estado eléctrico después será neutro. El contacto central de los enchufes de la red eléctrica domiciliaria es una conexión local a tierra. Dispositivos con carcasa exterior metálica, como lavadoras, refrigeradores, planchas, etc. deben tener, por razones de seguridad, dicha carcasa conectada a tierra, más adelante se profundizará más el tema. Ley de Coulomb, fuerza entre dos cargas puntuales (1.2) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 9 El pararrayos, inventado en 1753 por Benjamín Franklin, es básicamente una conexión a tierra cuya finalidad es proteger a los edificios de los rayos que se producen en las tormentas eléctricas. Se trata de un conductor en que un extremo se encuentra enterrado en el suelo y el otro, terminado en punta, por encima de la construcción. 1.6.2 |Superposición de fuerzas Como se dijo, la Ley de Coulomb describe sólo la interacción entre dos cargas puntuales. Los experimentos demuestran que cuando dos cargas ejercen fuerzas de manera simultánea sobre una tercera carga, la fuerza total que actúa sobre esa carga es la suma vectorial de las fuerzas que las dos cargas ejercerían individualmente. Esta propiedad importante, llamada principio de superposición de fuerzas, se cumple para cualquier número de cargas. La Ley de Coulomb tal como fue establecida debería usarse tan sólo para cargas puntuales en el vacío. Si hay materia presente entre las cargas, la fuerza neta que actúa sobre cada una se altera, debido a las cargas inducidas en las moléculas del material interpuesto. Este efecto se describirá más adelante. No obstante, es práctico utilizar la ley de Coulomb sin modificar para cargas puntuales en el aire, ya que a presión atmosférica normal, la presencia del aire cambia la fuerza eléctrica en aproximadamente 1/2000 de su valor en el vacío. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 10 1.7 |El concepto de campo El concepto de “campo”, entendido como campo de vectores, tuvo un enorme impacto en el desarrollo de las bases conceptuales de la física y la ingeniería. Es realmente unas de las ideas que supusieron un avance significativo en la historia del pensamiento humano. Es la noción que permite describir de modo sistemático las influencias sobre objetos y entre objetos que están separados espacialmente. La idea de campo comenzó con el concepto de Newton de campo gravitatorio. En este caso, el campo gravitatorio describe la atracción de un cuerpo o grupo de cuerpos sobre otro. Análogamente, el campo eléctrico producido por un objeto o grupo de objetos cargados crea, de acuerdo con la ley de Coulomb, una fuerza sobre otro objeto cargado. El uso de campos vectoriales para describir este tipo de fuerzas ha conducido a una comprensión más profunda de las fuerzas atractivas y repulsivas en la naturaleza. Sin embargo, fue el monumental descubrimiento de las ecuaciones de Maxwell, que describen la propagación de la energía electromagnética, el que consolidó el concepto de campo en el pensamiento científico. Este ejemplo es especialmente interesante, porque estos campos se pueden propagar. El contraste entre los campos electromagnéticos que se pueden propagar y el campo gravitatorio que implica una acción instantánea a distancia ha originado gran interés entre los filósofos de la ciencia. La idea de Einstein es que la gravitación puede describirse en términos de las propiedades métricas del espacio-tiempo, y que en esta teoría los campos asociados también se pueden propagar, exactamente como el campo electromagnético, proporcionando por tanto una profunda evidencia filosófica de que la versión de Einstein de la gravitación debería ser correcta. La idea de campo también se usa en ingeniería para describir sistemas elásticos e interesantes propiedades microestructurales de los materiales. En la física teórica moderna, el concepto de campo se usa para describir partículas elementales y es una herramienta central en los esfuerzos de los físicos teóricos modernos por unificar la gravedad con la mecánica cuántica de las partículas elementales. Es imposible imaginar un marco teórico moderno que no incorpore algún tipo de concepto de campo como ingrediente central1. 1 Nota histórica, pagina 284 – Calculo Vectorial. Pearson Addison Wesley - Jerrold E. Mariden, Anthony J. Tromba 5ta Edición Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 11 1.7.1 |Campo eléctrico La interacción entre partículas cargadas demostrada por la Ley de Coulomb puede volver a formularse utilizando el “concepto” de campo eléctrico. Para entenderlo consideremos la repulsión mutua de dos cuerpos A y B con carga positiva. Donde la fuerza sobre B se denota por F, esta es una fuerza de acción a distancia que puede actuar a través del vacío y no necesita materia alguna en el espacio para transmitirla. Imaginemos que retiramos el cuerpo B y a su posición la demarcamos con un punto P, ahora, si en éste punto colocamos cualquier otro cuerpo cargado, observamos que siempre se ejerce una fuerza; entonces, podemos considerar ésta fuerza sobre el punto P como la producida por un campo, en vez de producida por el cuerpo A directamente. Como B experimentaría una fuerza en cualquier punto del espacio que rodea al cuerpo A (carga generadora), el campo eléctrico existe en todos los puntos del espacio alrededor del cuerpoA. Figura 5. Fuerza ejercida por E sobre un punto cualquiera P. La prueba experimental de la existencia de un campo eléctrico en cualquier punto, consiste simplemente en colocar un cuerpo pequeño cargado, que se llamará “carga de prueba” en dicho punto. Si es ejercida una fuerza sobre la carga de prueba, entonces existe un campo eléctrico en el punto. Como la fuerza es una cantidad vectorial, el campo eléctrico también es una cantidad vectorial. Se define el campo eléctrico E en un punto, como el cociente entre la fuerza F que actúa sobre una carga de prueba positiva y la magnitud q0 de la carga. 0q F E Su módulo: 2 0 4 1 r q q F E o + + + + P A + + + + A P 0q F E F + + + + A F B q0 + Campo eléctrico, generado por una carga puntual Q (1.3) Campo eléctrico, generado por una carga puntual Q (1.4) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 12 La dirección de E es la de F, por lo que se deduce que: EqF 0 La fuerza sobre una carga negativa como el electrón es opuesta a la dirección del campo eléctrico. La unidad del campo eléctrico es el newton por coulomb [N/C]. La fuerza experimentada por la carga de prueba q0 varía de un punto a otro, por lo que el campo eléctrico es distinto de un punto a otro. Entonces el campo eléctrico tiene un valor determinado para cada punto en el espacio, esto es un ejemplo de campo vectorial. El campo eléctrico generado por una carga puntual tiene dirección radial y decrece rápidamente (con el cuadrado de la distancia) a medida que aumenta la distancia a la carga generadora. Si existe un campo eléctrico dentro de un conductor, se ejerce una fuerza sobre cada carga del mismo. El movimiento de las cargas libres producido por esta fuerza se denomina corriente. Por el contrario, si no hay corriente en un conductor, el campo eléctrico en el conductor debe ser nulo. En la mayoría de los casos, la magnitud y dirección de un campo eléctrico varían de un punto a otro. Si ambas son constantes en cierta región se dice que el campo es uniforme en esa región. Un ejemplo importante de esto es el campo eléctrico dentro de un conductor: cuando esto sucede el campo ejerce una fuerza en cada carga en el conductor, lo cual da a las cargas libres un movimiento neto. Por definición, una situación electrostática es aquella donde las cargas no tienen movimiento neto. De lo anterior se concluye que en electrostática, el campo eléctrico en cada punto dentro del material de un conductor debe ser igual a cero. (Observe que no se dice que el campo sea necesariamente cero en un agujero dentro de un conductor.) Con el concepto de campo eléctrico, nuestra descripción de las interacciones eléctricas tiene dos partes: La primera es que una distribución de carga dada actúa como una fuente del campo eléctrico. La segunda es que el campo eléctrico ejerce una fuerza sobre cualquier carga presente en el campo. Con frecuencia, nuestro análisis tiene dos etapas correspondientes: primero se calcula el campo causado por una distribución de carga de fuente; en segundo lugar, se examina el efecto del campo en términos de fuerza y movimiento. Es frecuente que el segundo paso implique las leyes de Newton y los principios de las interacciones eléctricas. En la sección siguiente, veremos cómo calcular campos originados por varias distribuciones de fuente; aunque en primer lugar se presentan algunos ejemplos de cálculo del campo debido a una carga puntual, así como de la obtención de la fuerza sobre una carga debida a un campo dado E. Por último, volvamos al concepto de carga de prueba que utilizamos para definir el campo eléctrico. Para desarrollar esta idea, comenzaremos por considerar una distribución de carga en equilibrio sobre un cuerpo. Esto implica que sobre cada Fuerza eléctrica, generado por un campo eléctrico E (1.5) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 13 elemento de carga, la fuerza neta es nula (Imaginemos partículas sostenidas por una estructura cristalina rígida, es decir que se mantienen en equilibrio estable entre sus propias interacciones eléctricas y las que experimentan con el soporte mecánico). Ahora supongamos que una partícula pequeña cargada se aproxima al cuerpo. La nueva interacción tiene dos consecuencias: a) Sobre la partícula aparece una fuerza electrostática debida al sistema de cargas preexistente. Por tanto, para que la partícula se mantenga en el lugar, necesita que un agente externo lo sostenga. b) Sobre el sistema preexistente aparecerán fuerzas debidas a la partícula, que alterarán el equilibrio original, produciendo un reordenamiento de cargas tendiente a restablecer nuevamente el equilibrio electrostático. Cuando deseamos medir o estudiar un fenómeno físico, se busca “observar algo sin que el sistema a estudiar se dé cuenta” o “medir sin que perturbemos el sistema a estudiar”. En lo que respecta a nuestro análisis, podríamos decir que nos interesa observar “la fuerza” sobre la partícula con la expectativa que el sistema original experimente la menor alteración posible. Naturalmente, esto ocurre cuando la carga de la partícula es lo más pequeña posible. Por supuesto que el límite de qué tan pequeña puede ser la carga, lo impone la sensibilidad del instrumento que mide la fuerza sobre ella. Si un objeto pequeño dotado de carga eléctrica es apto para tal propósito, decimos que el mismo es una “partícula de prueba”, o simplemente una “carga de prueba”. 1.7.2 |Líneas de campo El concepto de líneas de campo fue introducido por Michael Faraday para ayudar a visualizar los campos eléctricos y magnéticos. Una línea de campo es una línea imaginaria trazada de forma que la dirección del campo es tangente en cada punto de la misma. Las líneas de un campo electrostático son líneas continuas que nacen en una carga positiva y terminan en una negativa. Las líneas de campo nunca se cruzan. a) b) Figura 6. Líneas de campo eléctrico de cargas: a) opuestas, b) iguales. En el caso de cargas puntuales, las líneas de campo eléctrico son radiales, con sentido hacia fuera en una carga positiva y hacia la carga en el caso de ser negativa. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 14 Por tanto, una carga de prueba positiva es rechazada si se ubica en el campo de una carga generadora positiva, y se atrae si se ubica en el campo de una carga generadora negativa. Como es de esperarse, por cada punto del espacio que rodea una carga pasa una línea de campo, o sea una carga puntual tiene infinitas líneas de campos pero si se dibujara una línea en cada punto de un campo eléctrico, todo el espacio estaría lleno de líneas y no se podría distinguir ninguna línea individual. Limitando convenientemente el número de líneas dibujadas para representar un campo, éstas pueden utilizarse para indicar la magnitud de un campo y su dirección, esto se consigue espaciando las líneas de forma que: “el número de líneas que atraviesan una unidad de superficie perpendicular a la dirección del campo, sea en cada punto proporcional a la magnitud de campo eléctrico”. Por lo que a medida que nos alejamos de la carga, las líneas de campo se separan y la magnitud del campo eléctrico se debilita. En el espacio que rodea a una carga no nace ni termina ninguna línea de campo. Cada línea de un campo electrostático es una línea continua que nace en una carga positiva y termina en una carga negativa. A veces por conveniencia se dibujan las líneas de campo de una cargapuntual en forma radial, pero esto solo significa que las cargas donde terminan se encuentran a gran distancia de la carga considerada. 1.7.3 |Jaula de Faraday En un conductor, las cargas eléctricas móviles se distribuyen en la superficie, de tal manera que el campo eléctrico en el interior es nulo. Al respecto, Michael Faraday observó que una estructura metálica en forma de jaula actúa como una pantalla: los cuerpos que esta contiene quedan aislados de la acción de los campos eléctricos externos, permaneciendo únicamente la de los campos magnéticos. Esta propiedad de los conductores hace que sean útiles, por ejemplo, para proteger un artefacto electrónico del efecto de una actividad eléctrica externa. Esta es la razón por la que la mayoría de los componentes electrónicos se rodean de una caja metálica, llamada jaula de Faraday (que puede ser una malla o un recipiente metálico). Estas cajas impiden que las cargas eléctricas que puedan llegar al aparato, ingresen al interior. En los equipos de audio, la envoltura metálica evita que un campo electromagnético exterior interfiera con la señal sintonizada. Los teléfonos celulares utilizan señales electromagnéticas y depende de la libre circulación de estas para posibilitar la comunicación telefónica. La situación se complica cuando la comunicación debe establecerse desde o hacia bajo tierra, como en el subte. Años atrás, no era posible la comunicación por celular en el subte. El problema se generaba porque tanto las paredes como los techos de los túneles se encuentran revestidos con mallas de acero (armadura), que actúan como jaula de Faraday, lo que dificulta el paso de las señales electromagnéticas. Por esta razón se instalan antenas especiales para permitir conectarse con el exterior. Otro ejemplo de esto los cables apantallados en sistemas de instrumentación industrial, éstos, son conductores aislados cubiertos con una malla metálica o papel metálico con el objeto de evitar las perturbaciones que puedan producir campos eléctricos externos. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 15 1.7.4 |Superposición de campos eléctricos Para encontrar el campo eléctrico total originado en un punto P por una distribución de carga, imaginamos que está constituida por muchas cargas puntuales q1, q2, q3 . . . Por lo tanto, en cualquier punto P dado, cada carga puntual produce su propio campo eléctrico E1, E2, E3 . . . , por lo que una carga de prueba q0 colocada en P experimenta una fuerza de la carga q1, una fuerza de la carga q2 y así sucesivamente. Del principio de superposición de fuerzas que se estudió en la sección anterior, la fuerza total que la distribución de carga ejerce sobre q0 es la suma vectorial de estas fuerzas individuales: ...... 3020103210 EqEqEqFFFF El efecto combinado de todas las cargas en la distribución queda descrito por el campo eléctrico total E en el punto P. Esto es: nEEEE q F E ...321 0 0 o sea: n i iEE 1 El campo eléctrico total en P es la suma vectorial de los campos en P debidos a cada carga puntual en la distribución de carga. Éste es el principio de superposición de campos eléctricos. Cuando la carga está distribuida a lo largo de una línea, sobre una superficie o en un volumen, resulta muy útil emplear la densidad de carga. Para una distribución de carga en línea (como la de una varilla de plástico cargada, larga y delgada), usamos (letra griega lambda) para representar la densidad lineal de carga (carga por unidad de longitud, medida en C/m). Cuando la carga está distribuida sobre una superficie (como la superficie del tambor formador de imágenes de una impresora láser), se usa (letra griega sigma) para representar la densidad superficial de carga (carga por unidad de área, se mide en C/m2). Y cuando la carga se distribuye en un volumen, se usa (letra griega ro) para representar la densidad volumétrica de carga (carga por unidad de volumen, C/m3). En los ejemplos que siguen, el uso de la densidad de carga ayudará a simplificar la complejidad de los campos eléctricos en determinados cuerpos geométricos. (1.6) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 16 1.7.5 |Campo eléctrico de un anillo con carga Supongamos que se tiene un conductor en forma de anillo con radio a el cual posee una carga total Q distribuida de manera uniforme en todo su perímetro. Calcularemos el campo eléctrico en el punto P que se localiza sobre el eje del anillo a una distancia x del centro. Figura 7. Anillo conductor con carga eléctrica positiva. Podemos plantear éste problema como de superposición de campos eléctricos. La dificultad es que ahora la carga se distribuye de manera continua alrededor del anillo, y no en cierto número de cargas puntuales. El punto P donde queremos averiguar el campo se localiza de manera arbitraria sobre el eje x, como se indica en la figura 7. El campo eléctrico expresado en ese punto, está en función de la coordenada x. Como puede verse en la figura 7, imaginemos el anillo dividido en segmentos infinitesimales de longitud ds. Cada segmento tiene una carga dQ que actúa como fuente de carga puntual del campo eléctrico. Sea dE el campo eléctrico generado por uno de tales segmentos; entonces, el campo eléctrico neto en P es la suma de todas las aportaciones dE desde todos los segmentos que constituyen el anillo. (Esta misma técnica sirve para cualquier situación en que la carga se distribuya a lo largo de una recta o una curva.) El cálculo de se simplifica mucho debido a que el punto P del campo se ubica sobre el eje de simetría del anillo. Si consideramos dos segmentos, uno en la parte superior y otra en la inferior del anillo: las contribuciones dE al campo en P a partir de dichos segmentos tendrían la misma componente x, pero componentes y opuestas. Así, la componente y total del campo generado por este par de segmentos es igual a cero. Cuando sumamos las contribuciones desde todos los pares correspondientes de segmentos, resulta que el campo total E sólo tendrá una componente a lo largo del eje de simetría del anillo (el eje x), sin componente perpendicular a dicho eje (es decir, no hay componentes y ni componente z). Por lo tanto, el campo en P queda descrito completamente por su componente x: Ex. Para calcular Ex, se observa que el cuadrado de la distancia r a partir de un segmento de anillo al punto P es igual a r2 = x2 + a2. De manera que la magnitud de la contribución de este segmento al campo eléctrico en P es: Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 17 2 04 1 r dQ dE )(4 1 22 0 ax dQ dE cos.dEdEx y 22 cos ax x 2222 0 )(4 1 ax x ax dQ dEx 2/322 0 )(4 1 ax xdQ dEx Para encontrar la componente x total Ex, del campo en P, se integra esta expresión a lo largo de todos los segmentos del anillo: 2/322 0 )(4 1 ax xdQ dEx dQ ax x Ex 2/322 0 )(4 1 Como x no varía a medida que nos movemos de un punto a otro alrededor del anillo, todos los factores en el lado derecho son constantes, excepto dQ, es posible sacarlos de la integral, y como la integral de dQ es la carga total Q, finalmente resulta que: 2/322 0 )(4 1 ax xQ Ex Esta expresión representa el módulo del campo eléctrico total en el eje x. Para expresar el vector campo eléctrico total debemos multiplicar el módulo por el vector unitario i. i ax xQ E 2/322 0 )(4 1 En la expresión de Ex puede verse claramente que el campo eléctrico para x = 0 resulta cero. Pues, las cargas en los ladosopuestos del anillo empujarían en direcciones opuestas a una carga de prueba que se situara en el centro, y la suma de las fuerzas sería cero. Cuando el punto del campo P se toma mucho más lejos del anillo sobre el eje x (es decir, x >> a), a2 resulta despreciable en comparación con x y el denominador toma un valor cercano a x3, y la expresión se convierte aproximadamente en: 2 04 1 x Q Ex Campo eléctrico, generado por un anillo con carga Q (1.7) Campo eléctrico, generado por un anillo cuando x >> a (1.8) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 18 En otras palabras, cuando estamos muy lejos del anillo, el tamaño a es despreciable en comparación con la distancia x, su campo es el mismo que el de una carga puntual. En este ejemplo, usamos un argumento de simetría para concluir que tiene sólo una componente x en un punto sobre el eje de simetría del anillo. Este capítulo y los posteriores utilizaremos argumentos de simetría; sin embargo, recuerde que estos únicamente se utilizan en casos especiales. En la figura 7, el argumento de simetría no se aplica para un punto en el plano xy que no esté sobre el eje x. 1.7.6 |Campo eléctrico de una línea con carga Una carga eléctrica Q, positiva está distribuida uniformemente a lo largo de una línea con longitud de 2a que se ubica sobre el eje y, entre y = a y y = -a. (Ésta sería la representación de una varilla cargada). Como hicimos en el ejemplo anterior, calcularemos el campo eléctrico en un punto P sobre el eje x, a una distancia x del origen. Figura 8. Línea con carga eléctrica positiva (varilla cargada). Nuestra incógnita es el campo eléctrico en el punto P debido a una distribución continua de carga en función de la coordenada x. El eje x es el centro perpendicular de la línea cargada, por lo que, al igual que en el ejemplo de la figura 7, podemos utilizar el argumento de simetría. Si dividimos la línea de carga en segmentos infinitesimales, cada uno de estos actuará como una carga puntual dQ; sea dy la longitud de cualquier segmento localizado a la altura y. Si la carga se distribuye de manera uniforme, la densidad lineal de carga en cualquier punto de la línea será igual a: a Q 2 Donde resulta la carga total dividida entre la longitud total. Como de es constante, cada diferencial de longitud dl, tendrá una carga dQ, por lo tanto: Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 19 dy dQ Entonces, la carga dQ en un segmento de longitud dy es: dydQ o sea a Qdy dQ 2 El diferencial del campo en el punto P debido a dQ resulta: 2 04 1 r dQ dE )(24 1 22 0 yxa Qdy dE Como ya se vio en el anillo con carga, la sumatoria de las componentes en y de dE vale cero, por lo que el campo en el punto P resulta solo de la sumatoria de las componentes en el eje x de dE, por lo tanto: cos.dEdEx y 22 cos yx x 2222 0 )(24 yx x yxa dyQ dEx 2/322 0 )(24 yxa xdyQ dEx a a x yxa xdyQ E 2/322 0 )(24 22 0 2/322 0 1 4)(24 1 axx Q yx dy a Qx E a a x 22 04 1 axx Q Ex Ahora, realizaremos el mismo análisis que hicimos para el anillo cargado, primero se verá lo que ocurre en el límite en que x es mucho más grande que a. En ese caso, se puede despreciar a en el denominador y el resultado se convierte en: 2 04 1 xx Q Ex 2 04 1 x Q Ex Campo eléctrico, generado por una línea con carga Q (1.9) Campo eléctrico, generado por una línea con carga Q cuando x >> a (1.10) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 20 Esto significa que si el punto P se halla muy lejos de la línea de carga en comparación con la longitud de la línea, el campo en P es el mismo que el de una carga puntual. Se obtiene un resultado similar que para el anillo cargado del ejemplo anterior. Ahora si expresamos la ecuación (1.10) en términos de la densidad lineal de carga Q = 2a. Al sustituir y simplificar, se obtiene: 1 4 1 2 2 0 a x xa Q Ex Entonces 1 2 1 2 2 0 a x x Ex Ahora, si consideramos: a >> x x2/a2 ≈ 0 x Ex 02 1 Así, el campo eléctrico debido a una línea de carga de longitud infinita es proporcional a 1/r, y no a 1/r2 como fue el caso para una carga puntual. Si es positiva, la dirección de E es radial hacia fuera con respecto a la recta, y si es negativa es radial hacia dentro. En la naturaleza no existe una línea infinita de carga; no obstante, cuando el punto donde queremos averiguar el campo está suficientemente cerca de la línea, hay muy poca diferencia entre el resultado para una línea infinita y el caso finito de la vida real. Por ejemplo, si la distancia r del punto del campo desde el centro de la línea es del 1 % de la longitud de ésta, el valor de E difiere menos del 0,02 % del valor para la longitud infinita. 1.7.7 |Campo eléctrico de un disco con carga uniforme En este caso calcularemos el campo eléctrico que genera un disco de radio R con densidad superficial de carga (carga por unidad de área) positiva y uniforme, en un punto P a lo largo del eje del disco a una distancia x de su centro. Suponga que x es positiva. Este ejemplo se parece a los dos casos anteriores, en donde debemos encontrar el campo eléctrico a lo largo del eje de simetría de una distribución de carga continua. La figura 9 ilustra esta situación, representaremos la distribución de carga como un conjunto de anillos concéntricos de carga dQ. Como ya obtuvimos la ecuación para calcular el campo eléctrico de un solo anillo sobre su eje de simetría, solo restará sumar las contribuciones de todos los anillos que conformarían el disco. Figura 9. Disco con carga eléctrica uniforme. Campo eléctrico, generado por una línea con carga Q cuando a >> x (1.11) dr P dEx dQ Q x r R Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 21 Un anillo cualquiera tiene una carga dQ, radio interior r y radio exterior r + dr. Su área dA es aproximadamente igual a su ancho dr multiplicado por su longitud de circunferencia 2r, o sea: dA ≈ 2rdr La carga por unidad de área es : = dQ/dA Por lo que la carga del anillo es: dQ = dA dQ = 2 rdr Se reemplaza esta expresión en lugar de Q en la ecuación para el campo debido a un anillo que calculamos con anterioridad, y también se sustituye el radio del anillo a por r. La componente del campo dEx en el punto P debido a la carga dQ de un anillo es: 2/322 0 )(4 1 rx xdQ dEx 2/322 0 )( )2( 4 1 rx rdrx dEx Para calcular el campo total debido a todos los anillos que conforman el disco debemos integrar dEx sobre r, desde r = 0 hasta r = R: R x rx rdrx E 0 2/322 0 )( )2( 4 1 R x rx rdrx E 0 2/322 0 )(2 Note que x es una constante, y que la variable de integración es r. La integral se evalúa usando la sustitución z = x2 + r2. Trabajando matemáticamente obtenemos el siguiente resultado: 22 0 11 2 Rxx x Ex 2 2 20 1 11 2 x R x x x Ex 2 2 0 1 111 2 x Rxx x 2 2 0 1 1 1 2 x R Ex Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán/ 2019 22 Esta última expresión resulta ser el campo eléctrico en el punto P del disco cargado. Ahora, suponga que incrementamos el radio R del disco y que se agrega carga en forma simultánea, de manera que la densidad superficial de carga (carga por unidad de área) se mantenga constante. En el límite en que R es mucho mayor que la distancia x entre el punto P y el disco, el siguiente término se vuelve despreciable por lo pequeño: 2 2 1 1 x R Con lo que se obtiene: 02 xE El resultado final no contiene la distancia x al plano (al disco con radio infinito), por lo que el campo eléctrico producido por una lámina cargada, plana e infinita, es independiente de su distancia a la lámina. La dirección del campo es perpendicular en cualquier parte de la lámina y se aleja de ésta. Como ha de esperarse, no existe una lámina infinita de carga, pero si las dimensiones de la lámina son mucho más grandes que la distancia x entre el punto P y la lámina, el valor del campo eléctrico está aproximado al que indica la última expresión encontrada. 1.7.8 |Campo eléctrico de dos láminas infinitas con carga opuesta Se colocan dos láminas planas infinitas y paralelas entre sí, separadas por una distancia d (figura 10). La lámina inferior tiene una densidad de carga superficial uniforme y positiva, y la lámina superior tiene una densidad de carga superficial uniforme y negativa -, ambas de la misma magnitud. Ahora, calcularemos el campo eléctrico en la región entre las dos láminas, arriba de la lámina superior y debajo de la lámina inferior. Como ya conocemos el campo eléctrico debido a una sola lámina cargada plana e infinita; a partir de esto, encontraremos el campo eléctrico debido a las dos láminas utilizando el principio de superposición. Figura 10. Campo eléctrico debido a dos láminas cargadas planas e infinitas. Campo eléctrico, generado por un disco con constante cuando R >> x (1.12) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 23 Sea la lámina 1 con carga positiva, y la lámina 2 con carga negativa; los campos debidos a cada lámina son E1 y E2 respectivamente. Como cada lámina genera un campo eléctrico E = /20 pero de distintos sentidos fuera de las dos placas, el campo total resulta igual a cero. Sin embargo dentro de las dos placas los campos generados por las láminas tienen el mismo sentido, por lo que: 000 21 22 EEE 0 E Como se considera que las láminas son infinitas, el resultado no depende de la separación d. Observe que el campo entre las láminas con cargas opuestas es uniforme. Esto es lo que sucede cuando se conectan dos placas conductoras grandes y paralelas, a las terminales de una batería. La batería hace que las dos placas adquieran cargas contrarias, lo cual origina entre ellas un campo que en esencia es uniforme, si la separación de las placas es mucho menor que las dimensiones de las placas. En los capítulos posteriores estudiaremos el modo en que una batería produce la separación de cargas positivas y negativas. Un arreglo de dos placas conductoras con cargas opuestas se llama capacitor, éste, es un dispositivo que tienen una utilidad práctica enorme y el cual estudiaremos en detalle. 1.8 |Dipolos eléctricos Un dipolo eléctrico es un par de cargas puntuales de igual magnitud y signos opuestos (una carga positiva q y una carga negativa -q) separadas por una distancia d. Muchos sistemas físicos, desde moléculas, hasta antenas de televisión, se pueden describir como dipolos eléctricos. Este concepto es muy importante para el análisis de los materiales dieléctricos. Figura 11. Molécula de agua, claro ejemplo de un dipolo eléctrico. La figura 11 muestra una molécula de agua (H2O), que en muchos sentidos se comporta como un dipolo eléctrico. La molécula de agua en su totalidad es eléctricamente neutra; no obstante, los enlaces químicos dentro de la molécula ocasionan un desplazamiento de la carga. El resultado es una carga neta negativa en el + - Campo eléctrico, generado por dos placas infinitas con cargas opuestas (1.13) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 24 extremo del oxígeno de la molécula, y una carga neta positiva en el extremo del hidrógeno, formando así un dipolo. El efecto es equivalente al desplazamiento de un electrón alrededor de sólo 4x10-11 m (aproximadamente el radio de un átomo de hidrógeno); sin embargo, las consecuencias de tal desplazamiento son profundas. El agua es un magnífico solvente para las sustancias iónicas como la sal de mesa (cloruro de sodio, NaCl) precisamente porque la molécula de agua es un dipolo eléctrico. Cuando se disuelve en agua, la sal se disocia en un ion de sodio positivo (Na+) y un ion de cloro negativo (Cl-), los cuales tienden a ser atraídos hacia los extremos negativo y positivo, respectivamente, de las moléculas de agua; esto mantiene los iones en solución. Si las moléculas de agua no fueran dipolos eléctricos, el agua sería un mal solvente, y casi toda la química que ocurre en soluciones acuosas sería imposible. Esto incluye todas las reacciones bioquímicas que hay en las formas de vida terrestres. En un sentido muy real, ¡nuestra existencia como seres humanos depende de los dipolos eléctricos! Ahora estudiaremos las fuerzas y pares de torsión que experimenta un dipolo cuando se coloca en un campo eléctrico externo (es decir, un campo originado por cargas fuera del dipolo). 1.8.1 |Fuerza y par de torsión en un dipolo eléctrico Supongamos que colocamos un dipolo eléctrico en una región del espacio donde existe un campo eléctrico uniforme E como se indica en la figura 12. Las fuerzas F+ y F- en las dos cargas tienen una magnitud de qE, pero sus direcciones son opuestas y su suma es igual a cero. La fuerza neta sobre un dipolo eléctrico en un campo eléctrico externo uniforme es cero. Figura 12. Dipolo eléctrico dentro de un campo eléctrico uniforme. Sin embargo, las dos fuerzas no actúan a lo largo de la misma línea de acción, por lo que sus pares de torsión no suman cero. Los pares se calculan con respecto al centro del dipolo. Sea el ángulo entre el campo eléctrico E y el eje del dipolo; entonces, el brazo de palanca tanto para F+ como para F- es (d/2)sen. El par de torsión de F+ y el par de torsión de F- tienen ambos la misma magnitud de (qE)(d/2)sen, y los dos pares de torsión tienden a hacer girar el dipolo en el sentido horario (es decir, en la figura 12, se dirige hacia la parte interna de la página). Entonces, la magnitud del par de torsión neto es el doble de la magnitud de cualquier par de torsión individual: Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 25 La magnitud de los pares de torsión 1 y 2 de las fuerzas F+ y F- respectivamente son: sen d qE 2 )(1 sen d qE 2 )(2 Por lo que la magnitud del par de torsión total (o momento total del par de fuerzas) es la suma de 1 y de 2 por lo tanto: sen d qEsen d qEsen d qE 2 )(2 2 )( 2 )(21 dsenqE)( Donde dsen es la distancia perpendicular entre las líneas de acción de las dos fuerzas. El producto de la carga q y la separación d es la magnitud de una cantidad que llamaremos momento dipolar eléctrico, que se denota con p: qdp Las unidades de p son de carga por distancia [Cm]. Por ejemplo, la magnitud del momento dipolar eléctrico de una molécula de agua es p = 6,13x10-30 Cm. Además, el momento dipolar eléctrico se define como una cantidad vectorial p. La magnitud de p está dada por la ecuación (1.14), y su dirección ocurre a lo largo del eje dipolar, de la carga negativaa la carga positiva, como se muestra en la figura 12. En términos de p, podemos reescribir la ecuación del momento total de la siguiente manera: pEsen O en forma vectorial: Exp Momento Dipolar Eléctrico (1.14) Momento total o Torque de un dipolo eléctrico (1.15) Momento total o Torque de un dipolo eléctrico (1.16) Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 26 1.9 |Flujo eléctrico Decimos que existe un flujo eléctrico cuando el campo eléctrico atraviesa una determinada área. O sea, supongamos que se tiene un área A, la cual se encuentra atravesada por líneas de campo, el flujo eléctrico resulta el producto escalar de los vectores E y A. Se debe entender que E, es el valor que tiene el campo sobre un punto del área; por lo que si el campo es uniforme (igual módulo, dirección y sentido) E será igual en cualquier punto de A. O sea: AEE . cosEAE EAE Por lo que puedo expresar al flujo eléctrico a través de un área A como el producto de la magnitud del campo E por el área A. El símbolo utilizado para representar el flujo eléctrico es la letra griega mayúscula fi. La unidad del flujo eléctrico es el newton metro cuadrado por coulomb [Nm2/C]. Observe que si el área es paralela respecto del campo, o sea, son perpendiculares los vectores E y A, el flujo será igual a cero (Figura 13.c). La dirección de un vector de área se puede representar empleando un vector unitario n perpendicular al área; n significa “normal”. De esta forma: nAA ˆ. Un incremento del área implica que más líneas atraviesan el área, lo que significa que aumenta el flujo. También, se puede hacer un campo más intenso (mayor magnitud) incrementando la densidad de líneas de campo, o sea, aumentar las líneas que pasan por unidad de área, esto implica un incremento del flujo eléctrico. Si el área A es plana pero no perpendicular al campo entonces son menos las líneas de campo que la atraviesan. En este caso, el área que se toma en cuenta es el área efectiva que se “observa” al mirar en la dirección de E, ésta es el área A que resulta perpendicular al campo, y es igual a Acosϕ (figura 13.b). Como Ecosϕ es la componente del campo perpendicular al área, la ecuación E = EAcos se puede expresar como: AEE a) Plano perpendicular a E b) Plano oblicuo a E c) Plano paralelo a E Figura 13. Una superficie plana en un campo eléctrico uniforme. El flujo eléctrico a través de la superficie es igual al producto escalar del campo eléctrico E y el vector de área A. Flujo Eléctrico (1.17) Vector área (1.18) (1.19) Flujo Eléctrico Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 27 1.10 |Introducción a la Ley de Gauss En física las propiedades de simetría de los sistemas constituyen una herramienta importante para simplificar los problemas. Muchos sistemas físicos tienen simetría; por ejemplo, un cuerpo cilíndrico no se ve distinto después de hacerlo girar sobre su eje, y una esfera de metal con carga se ve igual una vez que se ha hecho girar alrededor de cualquier eje que pase por su centro. La ley de Gauss utiliza la simetría para simplificar los cálculos del campo eléctrico. Por ejemplo, el campo de una distribución de carga en una línea recta o en una hoja plana, que se obtuvo en la sección anterior con algunas integrales un tanto difíciles, utilizando la ley de Gauss se obtiene en unos cuantos pasos y sin tanto desarrollo matemático. La ley de Gauss es un enunciado fundamental acerca de la relación que existe entre las cargas eléctricas y los campos eléctricos. Entre otras cosas, la ley de Gauss ayuda a entender cómo se distribuye la carga en los cuerpos conductores. O sea, dada cualquier distribución general de carga, se encierra con una superficie imaginaria y luego se observa el campo eléctrico en distintos puntos de esa superficie imaginaria. La ley de Gauss es una relación entre el campo en todos los puntos de la superficie y la carga total que ésta encierra. Tal vez esto parezca como otra forma indirecta de expresar los fenómenos, pero es una relación sumamente útil. Más allá de su empleo como herramienta de cálculo, la ley de Gauss ayuda a tener una comprensión más profunda de los campos eléctricos. Expliquemos la Ley de Gauss, Supongamos un campo de una carga puntual positiva q que está representado por líneas que parten en forma radial en todas direcciones. Imaginemos esta carga rodeada por una superficie esférica de radio r, con la carga en su centro. El área de esta superficie imaginaria es 4r2, si el número total de líneas de campo que salen de q es N, el número de líneas por unidad de superficie (densidad de líneas) sobre la superficie esférica será: N/4r2. Ahora, imaginemos una segunda esfera concéntrica con la primera, pero de radio 2r. Su área será 4(2r)2 y el número de líneas por unidad de superficie es: N/16r2, la cuarta parte de la densidad de líneas de la primera esfera, figura 14. Esto se debe a que, a la distancia 2r, la magnitud del campo es solo la cuarta parte del campo que hay a la distancia r. Esto verifica la afirmación cualitativa que se hizo cuando se vieron las líneas de campo, que la densidad de líneas es proporcional a la magnitud del campo. Densidad de líneas en A1 es: 24 r N el Campo Eléctrico es: 2 0 1 4 1 r q E Densidad de líneas en A2 es: 2)2(4 r N el Campo Eléctrico es: 2 0 2 )2(4 1 r q E 216 r N 2 0 2 16 1 r q E 244 1 r N 4 1 2 E E Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 28 Resumiendo, disminuye la magnitud del campo en la misma proporción que la densidad de líneas de campo. a) N líneas de campo atraviesan las superficies A1 y A2 b) Campo eléctrico en las superficies Figura 14. Carga q rodeada de dos esferas concéntricas, puede observarse que en número N de líneas de campo atraviesa las dos esferas, por lo que resulta el mismo para las dos. Ahora, analicemos el flujo eléctrico para las dos esferas concéntricas de la figura 14, b). Sea E1, el flujo eléctrico de la superficie A1 y, E2 el flujo eléctrico de la superficie A2. La magnitud E del campo eléctrico en cada punto de la superficie está dada por: 2 04 1 r q E En cada punto de la superficie E, es perpendicular a ésta, y su magnitud es la misma en todos los puntos. El flujo eléctrico total es el producto de la magnitud del campo E por el área total A = 4r2 de la esfera, entonces E1 y E2 serán: 111 AEE 222 AEE 2 2 0 1 4 4 1 r r q E 2 2 0 2 )2(4 )2(4 1 r r q E 0 1 q E 0 2 q E Estas expresiones demuestran que el E1 y E2 son iguales e independientes del radio r, y solo dependen de la carga q y de la permitividad del medio. Esto es así debido a que el campo decrece en la misma proporción que la superficie crece. + + E1 E2 2r r q A1 A2 (1.20) Flujo Eléctrico de una carga puntual q Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 29 Lo que se cumple paratoda la esfera también se cumple para cualquier región de su superficie. En la figura 15, sobre la esfera de radio R, está demarcada un área dA que se proyecta sobre la esfera de radio 2R con líneas que van desde el centro y que pasan por puntos sobre el borde de dA. El área proyectada sobre la esfera mayor es evidentemente 4dA. Pero como el campo eléctrico debido a una carga puntual es inversamente proporcional a r2, la magnitud del campo sobre la esfera de radio 2R es ¼ de la magnitud sobre la esfera de radio R. Así, el flujo eléctrico es el mismo para los dos diferenciales de áreas dA y 4dA e independiente del radio de la esfera. Figura 15. Proyección de un elemento de área dA de una esfera de radio R sobre una esfera concéntrica de radio 2R. La proyección multiplica las dimensiones lineales por 2, por lo que el elemento de área sobre la esfera más grande es 4dA. Esa técnica de proyección demuestra cómo generalizar el análisis a superficies no esféricas. En la figura 16a aparece una esfera de radio R encerrada por una superficie de forma irregular. Considere un pequeño elemento de área dA sobre la superficie irregular; observe que esta área, es mayor que el elemento de área correspondiente a una superficie esférica a la misma distancia de q. Si una normal a dA forma un ángulo con una línea de campo radial que sale de q, dos lados del área proyectada sobre la superficie esférica se ven disminuidos en un factor cos (figura 16b). Los otros dos lados permanecen aproximadamente sin cambio. De esta forma, el diferencial de flujo a través del elemento de superficie esférica, es igual al diferencial de flujo a través del correspondiente elemento de superficie irregular y vale EdAcos. Se puede dividir toda la superficie irregular en elementos dA, calcular para cada uno de ellos el flujo eléctrico EdAcos, y sumar los resultados por integración. Cada uno de los elementos de área se proyecta sobre un elemento de superficie esférica correspondiente. Así, el flujo eléctrico total que atraviesa la superficie irregular, debe ser el mismo que el flujo total a través de una esfera, el cual es igual a q/0. Por lo tanto, para la superficie irregular: Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 30 cosEdAd E 0 cos q EdAE 0 q dAEE 0 . q dAEE La ecuación (1.21) se cumple para una superficie de cualquier forma o tamaño, siempre y cuando sea una superficie cerrada que contenga la carga q. El círculo en el signo de la integral indica que la integral siempre se toma sobre una superficie cerrada. Los elementos de área y los vectores unitarios correspondientes siempre apuntan hacia fuera del volumen encerrado por la superficie. El flujo eléctrico es positivo en aquellas áreas en las que el campo eléctrico apunta hacia fuera de la superficie y negativo donde apunta hacia dentro. Además, es positivo en los puntos en que apunta hacia el exterior de la superficie y negativo en los que apunta hacia el interior de ésta. Si la carga puntual en la figura 16 es negativa, el campo está dirigido en forma radial hacia dentro; en ese caso, el ángulo es mayor de 90°, su coseno es negativo y la integral en la ecuación (1.21) es negativa. Pero como q también es negativa, la ecuación (1.21) se cumple. Figura 16. Cálculo del flujo eléctrico que pasa a través de una superficie no esférica. Para una superficie cerrada que no encierre carga, el flujo eléctrico es cero, éste es el enunciado matemático que indica que cuando una región no contiene carga, (1.21) LEY DE GAUSS Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 31 cualquier línea de campo producida por una carga afuera de la región y que entran por un lado deben salir por el otro. La siguiente figura demuestra lo expuesto. Figura 17. Flujo eléctrico que entra y sale de una superficie cerrada. 0. dAEE Suponga que la superficie encierra no sólo una carga puntual q, sino varias cargas, q1, q2, q3, … . El campo eléctrico total E en cualquier punto del espacio, es la suma vectorial de los campos E de las cargas individuales. Sea Qenc la carga total encerrada por la superficie, donde Qenc = q1 + q2 + q3 + … . Sea también E el campo total en la posición del elemento de área de la superficie dA, y sea E su componente perpendicular al plano de ese elemento (es decir, paralelo a dA). Luego, se puede escribir una ecuación como la (1.21) para cada carga y su campo correspondiente y luego sumar los resultados. Al hacerlo se obtiene el enunciado general de la ley de Gauss: 0 . enc E Q dAE 0 cos. encE Q dAEdAEdAE La ley de Gauss ofrece una relación entre el campo eléctrico en una superficie cerrada y la distribución de carga dentro de esa superficie. 1.11 |Aplicaciones de la Ley de Gauss La ley de Gauss es válida para cualquier distribución de cargas y cualquier superficie cerrada. La ley de Gauss se puede utilizar de dos maneras. Si se conoce la distribución de la carga y tiene simetría suficiente que permita evaluar la integral en la ley de Gauss, se puede obtener el campo. O si se conoce el campo, es posible usar la Flujo de una superficie que no contiene carga encerrada (1.22) Enunciado general de la Ley de Gauss Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 32 ley de Gauss para encontrar la distribución de carga, como las cargas en superficies conductoras. En esta sección se presentan ejemplos de ambas clases de aplicaciones. Cuando los estudie, observe el papel que desempeñan las propiedades de la simetría de cada sistema. Se empleará la ley de Gauss para calcular los campos eléctricos ocasionados por varias distribuciones de carga sencillas. En problemas prácticos es frecuente encontrar situaciones en las que se desea conocer el campo eléctrico causado por una distribución de carga en un conductor. Estos cálculos se facilitan por el siguiente hecho notable: Cuando en un conductor sólido se coloca un exceso de carga que se encuentra en reposo, la carga se distribuye en su totalidad en la superficie, no en el interior del material. (Con el término exceso se quiere decir cargas distintas de los iones y electrones libres que constituyen el conductor neutral.) La demostración es la siguiente. En una situación electrostática (con todas las cargas en reposo) el campo eléctrico en cada punto en el interior de un material conductor es igual a cero. Si no fuera cero, las cargas en exceso se moverían, y esto no es lo que sucede. 1.11.1 |Campo eléctrico de una esfera conductora con carga Supongamos que tenemos una esfera conductora sólida de radio R con carga Q uniformemente distribuida por toda la superficie, y se desea determinar el campo eléctrico tanto dentro, en la superficie y fuera de la esfera. Este sistema tiene simetría esférica, por lo tanto, para aprovechar la simetría, se toma la superficie gaussiana como una esfera imaginaria de radio r con centro en la esfera conductora. Figura 18. Campo eléctrico de una esfera conductora con carga. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 33 Para calcular el campo afuera del conductor, se toma r de forma que sea mayor que el radio R del conductor; para obtener el campo en la superficie, se toma r igual a R; para obtener el campo en el interior, se toma r menor que R. Por lo tanto, el punto donde se desea calcular el campo eléctrico debe quedar sobre la superficie gaussiana. Decir que el sistema tiene simetría esférica significaque si se hace girar con cualquier ángulo alrededor de cualquier eje que pase por el centro, después de la rotación, el sistema es indistinguible del original antes del giro. La carga es libre de moverse en el conductor y no hay nada que la haga concentrarse más en ciertas regiones que en otras. Por lo tanto, se concluye que la carga está distribuida de manera uniforme sobre la superficie. La simetría también muestra que la dirección del campo eléctrico debe ser radial, como se ilustra en la figura 18. Si el sistema se gira otra vez, la disposición del campo debe ser idéntica al original. Si el campo tuviera una componente en algún punto que fuera perpendicular a la dirección radial, esa componente tendría que ser distinta después de hacer al menos algunas rotaciones. Entonces, no puede haber tal componente y el campo debe ser radial. Por la misma razón, la magnitud E del campo sólo puede depender de la distancia r desde el centro y debe tener el mismo valor en todos los puntos de una superficie esférica concéntrica respecto de la esfera conductora. La elección de una esfera como superficie gaussiana aprovecha estas propiedades de simetría. En primer lugar: encontraremos el campo fuera del conductor, por lo que se elige r > R. Todo el conductor se encuentra dentro de la superficie gaussiana, de manera que la carga encerrada por la superficie gaussiana es Q. El área de la superficie gaussiana es 4r2. El campo E es constante, sobre toda la superficie gaussiana y perpendicular a cada uno de sus puntos. Por lo anterior, la integral del flujo resulta: 0 2 )4(cos Q rEdAEdAEE 2 04 1 r Q E Esta expresión del campo en cualquier punto afuera de la esfera (r > R) es la misma para una carga puntual; el campo debido a la esfera con carga es equivalente al que habría si toda la carga estuviera concentrada en su centro. En segundo lugar: Inmediatamente afuera de la superficie de la esfera, donde r = R. 2 04 1 R Q E En tercer lugar: Para calcular el campo dentro del conductor, se usa una superficie gaussiana esférica con radio r < R. De nuevo, la simetría esférica dice que (1.23) Campo eléctrico en un punto fuera de la esfera conductora cargada (1.24) Campo eléctrico en un punto sobre la superficie de la esfera conductora cargada Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 34 E(4r2) = Qenc/0. Pero como toda la carga está distribuida sobre la superficie del conductor, la superficie gaussiana (que está por dentro de la esfera conductora) no encierra ninguna carga, por lo que Qenc = 0, y el campo eléctrico en el interior del conductor es igual a cero. 1.11.2 |Campo eléctrico de una carga lineal Supongamos que una carga eléctrica positiva está distribuida de manera uniforme a lo largo de un alambre delgado de longitud infinita, con una densidad de carga lineal (carga por unidad de longitud). Ésta es una representación aproximada del campo de un alambre finito con carga uniforme, siempre y cuando, la distancia del alambre al punto donde queremos averiguar el campo sea mucho menor que la longitud del alambre. El sistema tiene simetría cilíndrica. El campo debe apuntar hacia fuera de las cargas positivas. Para determinar la dirección de E con más precisión, se usa la simetría, como se hizo en 1.11.1. La simetría cilíndrica significa que el sistema puede girarse cualquier ángulo alrededor de su eje y desplazarse cualquier distancia a lo largo del eje; en cada caso el sistema resultante es indistinguible del original. Por lo tanto, E no cambia en ningún punto cuando se efectúa cualquiera de estas operaciones. El campo no puede tener ninguna componente paralela al conductor; si la tuviera habría que explicar por qué las líneas del campo que comienzan en el alambre apuntan en una dirección paralela al alambre y no en la otra. Asimismo, el campo no puede tener ninguna componente tangente a un círculo en un plano perpendicular al alambre con su centro en el alambre. Si así fuera, sería necesario explicar por qué la componente señala en una dirección alrededor del conductor y no en la otra. Todo lo que queda es una componente radial hacia fuera del conductor en cada punto. Por lo tanto, las líneas de campo afuera de un alambre infinito con carga uniforme son radiales y se localizan en planos perpendiculares al alambre. La magnitud del campo sólo depende de la distancia radial desde el alambre. Estas propiedades de simetría sugieren que, como superficie gaussiana, se utilice un cilindro con radio arbitrario r y longitud arbitraria l, con sus extremos perpendiculares al conductor. Figura 19. Superficie gaussiana cilíndrica para una línea cargada infinita. Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019 35 La integral de superficie para el flujo eléctrico del cilindro, se puede descomponer en la suma de una integral sobre cada extremo plano del cilindro y otra sobre el cuerpo del cilindro. A través de los extremos no hay flujo, ya que el vector campo E y el vector diferencial área dA son perpendiculares. Sin embargo si existe flujo en las paredes del cilindro, ya que como se muestra en la figura 19, el campo y el diferencial de área son paralelos en cualquier punto sobre el cuerpo del cilindro. El área del cuerpo del cilindro resulta 2πrl (Para hacer un cilindro de papel de radio r y altura l, se necesita un rectángulo de papel de ancho 2πr, altura l y área 2πrl). De ahí que el flujo total E a través de todo el cilindro sea igual a la suma del flujo a través de las paredes laterales, y el flujo a través de los dos extremos que es cero. O sea: 0 )2( encE Q rlE Por último, se necesita la carga total encerrada en la superficie gaussiana, que es la carga por unidad de longitud multiplicada por la longitud del alambre dentro de la superficie gaussiana: l Qenc por lo tanto lQenc Reemplazando: 0 )2( l rlE r E 02 1 Éste es el mismo resultado que se obtuvo en 1.7.6 en la ecuación (1.10) por medios mucho más laboriosos, resolviendo integrales. Queda claro el objeto de la ley de Gauss, encontrar el campo con unos simples pasos matemáticos. Se ha supuesto que es positiva. Si fuera negativa, E estaría dirigido radialmente hacia el interior, en dirección de la línea de carga, y en la expresión anterior de la magnitud del campo E se debería interpretar como la magnitud (valor absoluto) de la carga por unidad de longitud. Observe que aunque toda la carga en el conductor contribuye al campo, al aplicar la ley de Gauss sólo se considera la parte de la carga total que está dentro de la superficie gaussiana. Esto tal vez parezca extraño; parece como si se hubiera obtenido la respuesta correcta ignorando parte de la carga y que el campo de un alambre corto de longitud l fuera el mismo que el de otro muy largo. Pero al considerar la simetría del problema sí se incluye toda la carga en el conductor. Si el alambre es corto, no habría simetría respecto al eje, y el campo no sería de magnitud uniforme en la superficie gaussiana. En ese caso, la ley de Gauss deja de ser útil y no podría usarse para calcular el campo; el problema se manejaría mejor con la técnica de integración empleada en 1.7.6, ecuación (1.9). Se puede utilizar una superficie gaussiana como la de la figura 19 para demostrar que el campo en puntos situados fuera de un cilindro largo con carga uniforme es el mismo que si toda la carga se concentrara en una línea a lo largo de su eje. También se (1.25) Campo eléctrico en una línea delgada infinita cargada Esp. Ing. Francisco A. Gómez López Física II, Unidad I – Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Tucumán / 2019
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