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Tema 7: CAMPO ELÉCTRICO

                                          Carga eléctrica
                     Fuerzas
                     eléctricas
                                         Ley de Coulomb



                                         Descripción del campo eléctrico

                      Estudio del
Campo eléctrico     campo eléctrico
                                         Representación del campo eléctrico

                                          Determinación del campo eléctrico


                                                  Conductores
                      Comportamiento
                        de la materia              Dieléctricos
                    en campos eléctricos
                                                 Condensadores


                                                                 1
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Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica
 La carga eléctrica de un cuerpo tiene su origen en la estructura atómica de la materia.


 La corteza de los átomos está formada por electrones,
 partículas con carga negativa, mientras que el núcleo de los
 átomos está constituido por protones, partículas con carga
 positiva del mismo valor absoluto que la carga del electrón, y
 neutrones, sin carga eléctrica




 En condiciones normales, los cuerpos son neutros, porque sus
 átomos tienen el mismo número de protones que de electrones


La electrización es el proceso por el que un cuerpo adquiere carga eléctrica, cuando sus
átomos ganan o pierden electrones.

         •   Si pierden electrones, el cuerpo adquiere carga positiva
         •   Si gana electrones, adquiere carga negativa.

Los cuerpos se pueden electrizar por frotamiento, por contacto o por inducción

La unidad de carga eléctrica en el S.I. es el Culombio (C)

                                                                           2
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1.Fuerzas eléctricas 1.1. Carga eléctrica
Las propiedades de la carga eléctrica son:

• Sólo existen dos clases de carga, la positiva y la negativa.
  No existe la carga neutra: un cuerpo neutro contiene cargas positivas y
  cargas negativas en igual número.


• Las cargas eléctricas interaccionan entre sí:
   ▪ si son de distinto signo, se ejercen entre ellas fuerzas atractivas,
   ▪ y si son del mismo signo, se ejercen entre ellas fuerzas repulsivas.

• Conservación de la carga eléctrica.
En todo fenómeno físico (o químico) la carga total permanece constante; es posible que
alguna carga pase de un cuerpo a otro, pero la carga eléctrica total no varía.

                                                                Ver figura

 • Cuantización de la carga eléctrica.
 Cualquier carga eléctrica que manejemos es siempre un múltiplo entero de una unidad
 elemental de carga eléctrica, que es la carga del electrón. Esto es evidente si tenemos
 presente que los cuerpos se electrizan ganando o cediendo electrones, por tanto la carga que
 adquiera tiene que ser un cierto número de veces, la carga del electrón.
        1 electrón = 1,6 ·10 –19 C


                                                                        3
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1.2. Ley de COULOMB

Las fuerzas de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales
• están dirigidas a lo largo de la línea que las une
• Cada fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa
  r               r        r          r                     r Fr         r    r
  F2,1       Q1
                  u1       u 2 Q2     F1,2
                                                       Q1   u1 2,1       F u 2 Q2
                                                                          1,2
             +                  +                       +                          –
                       r                                             r

 r                r        r          r                     r Fr         r    r
 F2,1             u1       u2         F1,2                  u1 2,1       F    u2
                                                                          1,2
              –                 –                      –                           +
                       r                                             r

         r       r        Q1 ×Q 2 r               r        r        Q1 ×Q 2 r
         F1,2 = −F2,1 = k     2
                                 ×u1              F2,1 = − F1,2 = k        ×u 2
                            r                                         r 2


     El módulo de estas fuerzas es:                          Q1 ×Q 2
                                             F2,1 = F1,2 = k
                                                               r2
                                                                         4
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1.2. Ley de COULOMB (Cont.)


La constante de proporcionalidad k recibe el nombre de constante eléctrica.
Su valor depende del medio que rodea a las cargas.
En el vacío y en el aire vale:

                                 N ×m 2
                        k = 9× 9
                              10
                                  C2
 En el agua:


                  9    N ×m 2             N ×m 2
               k= × 9
                    10    2
                              = 0,113 × 9
                                       10
                 80     C                  C2




                                                                      5
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1.2. Ley de COULOMB (Cont.)
En el campo eléctrico, al igual que vimos en el campo gravitatorio, se cumple el principio
de superposición.
La fuerza resultante sobre una carga será la suma vectorial todas las fuerzas que
actúan sobre esa carga.
                                                                              Q2
                                                          – Q1                –
       – Q2                                                                                  r
        r                                   r                                                F3
        F2,3 Vectorialmente:
              r r       r                          r                       r
                                            F1,3   F3
         r  F3 = F1,3 + F2,3                                               F2,3
        F3 En módulos:
       + Q3 F3 = F2,3 − F1,3            +     r                   – Q2                            Q1
                                              F2,3 r                          +       r           –
r                                      Q3               r      r                      F1,3
                                                   F3 = F1,3 + F2,3           Q3
F1,3
                                                                                   Vectorialmente:
                                  F3 = F1,3 + F2,3 + 2 ×F1,3 ×F2,3 ×
                                         2     2
                                                                    cosα            r r         r
                                                                                    F3 = F1,3 + F2,3
                                    r r       r
       – Q          Vectorialmente: F3 = F + F2,3                                  En módulos:
                                          1,3
           1
                    En módulos:     F = F + F2,3                                    F3 = F1,3 + F2,3
                                                                                           2     2
                                r 3 r 1,3
                                F2,3 F1,3      r
               +              +                    F3         –
               Q1            Q3                               Q2
                                                                               6
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COMPARACIÓN ENTRE LA LEY DE NEWTON Y LA LEY DE COULOMB

Ley de Newton                                Ley de Coulomb
                                    SEMEJANZAS
   *Existen dos fuerzas, una sobre cada cuerpo
   *Las dos fuerzas tienen el mismo valor y son de sentido contrario
   *Son directamente proporcionales al producto de las masas (cargas)
  *Son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia

                                    DIFERENCIAS
Las fuerzas:                                 Las fuerzas:
*Son siempre atractivas                      *Pueden ser atractivas o repulsivas

*No dependen del medio                       *Sí dependen del medio

*Existen entre cualquier pareja de cuerpos   *Sólo existen entre cuerpos con carga
                                             eléctrica neta

*Son importantes sólo cuando un cuerpo es    *Son importantes en cuerpos pequeños, y
muy grande y no a nivel atómico o            a nivel atómico y molecular
molecular


                                                                       7
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Actividad 8 página 175:
Datos: Q1 = + 3 ·10–6 C; Q2 = + 1,2 · 10–5 C; r = 50 cm = 0,50 m; K = 9·109 N·m2·C–2
  a) Para calcular el valor de la fuerza basta aplicar la expresión del módulo de la
  fuerza de Coulomb:
                        Q1 ×Q 2          3 × −6 × 2 × −5
                                           10 1, 10
            F =F=k×                 =9× ×
                                      10  9
                                                   2
                                                         = 1,3 N
                              r2               0,5


  b) Si el medio interpuesto entre las cargas es agua, distinto del vacío (aire), el
  valor de la constante eléctrica es 80 veces más pequeño, ya que la permitividad
  eléctrica del agua respecto del vacío (constante dieléctrica del agua) vale 80:
                                9× 9
                                  10              N ×m 2
                     K agua   =      = 0,1125 × 9
                                               10
                                 80                C2
  La fuerza se hará 80 veces más pequeña. En efecto:

        r       Q1 ×Q 2                 10−6 × 2 × −5
                                     9 3×     1, 10
        F =F=k×         = 0,1125 × ×
                                  10                       = 1,62 × −2 N
                                                                   10
                  r2                        0,52




                                                                        8
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Actividad 9 página 175:
 Datos: Q1 = +2 μC = + 2 · 10–6 C; Q2 = +4 μC = + 4· 10–6 C; d = 90 cm = 0,90 m; K = 9·109
 N·m2·C–2 Q3 = – 3 μC = – 3 · 10–6 C; a 30 cm = 0,30 m de Q1
Hacemos un esquema de la situación de las cargas en el que podamos dibujar las fuerzas.
Sobre Q3 actúan dos fuerzas:         r
   ●una la que le ejerce la carga Q1 F1,3          La resultante de estas dos fuerzas es:
                                r                              r     r      r
   ●y otra la que le ejerce Q2    F2,3                              F3 = F1,3 + F2,3
                     0,30 cm                                 0,60 cm
           +     r               r    –           r                                     + Q2
           Q1    F1,3            F3   Q3          F2,3
 Calculamos primero el valor (módulo) de la fuerza que Q1 ejerce sobre Q3:
                                         Q1 ×Q3          2 × −6 × × −6
                                                           10 3 10
                            F1,3 = k ×             = 9× ×
                                                      10 9
                                                                       = 0,6 N
                                           r2                0,32
 Calculamos después el valor (módulo) de la fuerza que Q2 ejerce sobre Q3:
                                         Q 2 ×Q3          4 × −6 ×3 × −6
                                                             10       10
                            F2,3 = k ×             = 9× ×
                                                       109
                                                                         = 0,3 N
                                            r2                  0,6 2


Aplicamos el principio de superposición para obtener la fuerza resultante:
                             r    r      r
                             F3 = F1,3 + F2,3
 y para sumar dos vectores de la misma dirección y sentido contrario, restamos sus módulos:
      F3 = F1,3 − F2,3 = 0, 6 − 0,3 = 0,3 N                  y tiene el sentido de la fuerza mayor.


                                                                          9
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Actividad 9 página 175 (Cont.):
                      0,30 m                                0,60 m
             +      r             r     –         r                                     + Q2
             Q1     F1,3          F3    Q3        F2,3
                                  (Figura anterior)
                                                                      r r       r       (como se
─ Si la carga Q3 fuese positiva cambiaría el sentido de las fuerzas   F1,3 F2,3 F3      indica en la
                                                                                        figura)
                      0,30 m                                0,60 m
             +             r            +      r         r                              + Q2
             Q1            F2,3         Q3     F3        F1,3
  pero tendrían el mismo valor que antes, F1,3 = 0,6 N y        F2,3 = 0,3 N.


Aplicamos el principio de superposición para obtener la fuerza resultante:
                              r    r      r
                              F3 = F1,3 + F2,3
 y para sumar dos vectores de la misma dirección y sentido contrario, restamos sus módulos:

       F3 = F1,3 − F2,3 = 0, 6 − 0,3 = 0,3 N               y tiene el sentido de la fuerza mayor.


       La fuerza resultante apunta ahora a la carga Q2 y antes a Q1

                                                                          10
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2.Estudio del campo eléctrico
 Llamamos campo eléctrico a la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo
 rodea por el hecho de tener carga eléctrica

Cuando otra carga eléctrica se sitúa en esta región del espacio, interacciona con el campo y
experimenta una fuerza eléctrica
                                     –   r
                                         FQ,q
                                                              –
                                                              +
                                                            r q
                             r                              FQ,q
                             FQ, q
                         –                     +                    –
                                           Q                r
                                                            FQ, q
                                                    r
                                     +              FQ, q
                                                   –

  El campo eléctrico, como el gravitatorio, es un campo de fuerzas centrales (radiales) y por tanto
  conservativo

                                                                          11
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2.1.Descripción del campo eléctrico


Los campos eléctricos, al igual que hicimos en el campo gravitatorio, se describen mediante
dos magnitudes, una vectorial,
                                                                        r
         • La Intensidad de campo eléctrico en un punto del campo       E
y otra escalar

         • Potencial eléctrico en un punto del campo Ve




                                                                        12
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r
    • Intensidad de campo eléctrico         E    en un punto del campo (espacio)
Es la fuerza que actuaría sobre la unidad de carga POSITIVA situada en ese punto




                r                                                     r
                u                                                     u
                                                                              Q
                        Q                                                 –
                    +
                        r                                                     r r      r
                        u   r                                                 u
                                                                                       E
                            +
                            r                                                          +
                            E      r k Q ×q ×u
                                             r
                                 r F              Q r
                                 E= =   r2     = k 2 ×u
                                   q     q        r

  El módulo de este vector es:                                     Unidad en el S.I.

                                        r      Q                      N
                                        E =E=k 2                        = N ×C −1
                                              r                       C

                                                                          13
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Actividad 1 : Calcula el valor de la intensidad del campo eléctrico que crea una carga
               puntual de –6 μC en un punto P que dista de ella 40 cm.
                                                                               N ×m2
 Datos: Q = –6 μC =–6·10 C ;r = 40 cm = 0,40 m;
                               –6
                                                                K = 9·10   9
                                                                                C2
     Q                              P           Cuidamos de que todas las unidades estén
                                                expresadas en el S.I. y aplicamos la expresión
                       r                        que vimos en la diapositiva 13, que nos permite
                                                calcular el módulo (valor) de la intensidad de
                                                campo:

                           r         Q          6 × −6
                                                   10                 N
                           E = E = K 2 = 9×10 9
                                                      2
                                                        = 3,375 ×10 5

                                    r           0, 40                 C
Actividad 2 : Expresa vectorialmente la intensidad del campo eléctrico que hemos
                 calculado en la actividad anterior.
         y                                      Dibujamos unos ejes cartesianos con centro en r    la
         r                 r                    carga que crea el campo y dibujamos el vector E
    Q    i                 E        P           y el vector unitario en la dirección y sentido carga
                                                                               r r
                   r                    X       que crea el campo al punto u = i .
Finalmente aplicamos la ecuación de la intensidad de campo de la diapositiva 13:

        r    Q r     Q r             ( −6 × − 6 )
                                           10                    r N
        E = K 2 × = K 2 ×i = 9 ×
                 u              10 9
                                              2
                                                  = − 8,34 ×  −8
                                                            10 i
             r       r                  0, 40                      kg
                                                                             14
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Actividad 3 : En el punto (3,0) m existe una carga puntual de –4 μC y en el punto (0,-4) m otra
                      de +6μC. Calcular el valor de la intensidad del campo eléctrico creado por
                      ambas cargas en el origen de coordenadas.
                                                                                   K =9·109 N ×m
                                                                                                 2
Datos: (3,0) m ; Q1 = –4 μC= 4·10–6 C; (0,4) m ; Q2 = +6μC = +6·10–6 C;                        2
                                                                                               C
       y
                                       Dibujamos unos ejes de coordenadas con los puntos y las
   r        r                          cargas.
   E2       E                          A continuación dibujamos los vectores campo creado por cada
                         Q1            carga en el punto (0,0).
                                   X                                               r r
            r                          Ahora calculamos el valor de los vectores   E1y E 2 .
            E1           (3,0) m
                                       r             Q1          4 ×10− 6           3 N
                                       E1 = E1 = K 2 = 9 ×10   9
                                                                      2
                                                                            = 4 ×10
                                                      r1            3                  C
                                       r            Q2         9 6× 10− 6             3 N
  Q2
           (0,-4) m                    E 2 = E 2 = K 2 = 9 ×10        2
                                                                          = 3,375 ×10
                                                     r2             4                    C
 Según el principio de superposición, el campo resultante en el origen de coordenadas será la
 suma vectorial del campo creado por cada carga.
                                                  r
 Finalmente, podemos calcular el valor del vector E aplicando el teorema de Pitágoras.

                                                                             N
              E = E12 + E 2 = 42 + 3,3752 ×103 = 5,23 ×103
                          2
                                                                             C
                                                                                15
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Actividad 7 : Calcula potencial gravitatorio que crea una masa puntual de 200 kg en un
               punto P que dista de ella 40 cm.
                                                                       N ×m2
 Datos: m = 200 kg ; r = 40 cm = 0,40 m;           G = 6,67·10   ─11
                                                                        kg2

     M                            P            Cuidamos de que todas las unidades estén
                                               expresadas en el S.I. y aplicamos la expresión
                    r                          que vimos en la diapositiva 31, que nos permite
                                               calcular el potencial gravitatorio:

                         M              −11 200                −8  J
                  V = −G   = − 6,67 ×10           = − 3,34 ×10
                         r                  0, 40                 kg
Actividad 8 : ¿Cuánto dista el punto A de la figura de la masa M?
                                                                  Nos dan la masa M que crea el
    M = 350 kg                   A                                campo y el potencial creado por
                  r              VA = − 5 × −8 J ×kg −1 ella en unr punto A que dista una
                                              10                  distancia de M.
   Aplicamos la expresión anterior del potencial gravitatorio, despejando la distancia que nos
   piden:
         M                           M                   350
  V = −G                      r = − G = − 6,67 ×10 −11
                                                              −8
                                                                 = 0, 47 m
         r                           V                 −5 ×10
                                                                          16
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• Intensidad de campo eléctrico creado por varias cargas en un punto
del campo
Cuando existen varias cargas, al igual que en el campo gravitatorio, se cumple el principio
de superposición:

                                                   r                                r
                                                   u2                               E
Campo creado por Q1:                           –
                                                                                                r
        r                                     Q2        r2                                      E1
              Q r
        E1 = k 21 × 1
                   u                                                 r
              r1                                                     E2                 +
                                                                                            P

Campo creado por Q2:
        r      Q r                                                             r1
        E 2 = k 22 × 2
                    u                                               r
                r2                                                  u1
                                                                     + Q1

El campo eléctrico resultante en el punto P es la suma vectorial del campo eléctrico creado
por las cargas Q1 y Q2 :

                             r r      r
                             E = E1 + E 2
                                                                        17
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Actividad 11 página 177:
                                       Datos: Q = +4 μC = + 4· 10–6 C; r = 50 cm = 0,50 m;
                                                                           u
                                                                           r
   a) En el vacío K = 9·10 N·m ·C
                               9       2   –2    Dibujamos el vector campo E


              0,5 m                             Este es el vector intensidad de campo creado por
                          +        u
                                   r
     +                             E            la carga Q a 0,50 m de distancia. Su módulo es:
    Q
                                           Q           4 × −6
                                                         10              N
                                   E=k           = 9×
                                                    10    9
                                                              = 1, 4 × 5
                                                                     10
                                           r2          0,50 2            C


  b) En el agua, como la permitividad eléctrica relativa del agua vale 80, vimos en el
  ejercicio 8 que la constante k toma el siguiente valor:

                                 9× 9
                                   10              9 N×m2
                      K agua   =      = 0,1125 ×10
                                  80                  C2
  Y el valor de la intensidad de campo será:

                                   Q        4 × −6
                                              10             N
                        E = k 2 = 0,1125 ×
                                         10        = 1,8 × 3
                                                      9
                                                         10
                             r              0,502            C

                                                                         18
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Actividad 14 página 177:
 Datos: Q1 = +4 μC = +4 · 10–6 C; Q2 = + 1 μC = + 1· 10–6 C; d = 30 cm = 0,30 m; r1 =12 cm
 =0,12 m; K = 9·109 N·m2·C–2
 Hacemos un esquema de la situación de las cargas en el que podamos dibujar el vector
 intensidad de campo creado por cada una de ellas en el punto que nos piden.
                                0,30 m
                  0,12 m         P
          +          r           +       r          u
                                                    r                           + Q2
          Q1         E2                  E          E1                                 x
   Calcularemos sus módulos:
          Q1         9 4×10−6           N                     Q2          1 × −6
                                                                            10               N
 E1 = k        = 9×
                  10          = 2,5 × 6
                                    10               E2 = k         = 9×
                                                                       109
                                                                                 = 2, 78 × 5
                                                                                         10
          r
          1
           2
                       0,12 2           C                     r22         0,182              C
  Aplicamos el principio de superposición para calcular el campo resultante:
                                     u u u
                                     r r r
                                     E = E1 + E 2
   y como se trata de dos vectores de la misma dirección y sentido contrario, para calcular el
   módulo del vector resultante, restamos los módulos de los vectores componentes:
                                                                    N
                  E = E1 – E2 = 2,5 ·106 – 2,78 ·105 = 2,22 ·106    C

                                      u
                                      r              r N
    Vectorialmente podemos poner que: E = 2, 22 × i
                                                10 6

                                                       C
                                                                          19
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Actividad 14 página 177 (Cont):

 Si en el punto donde hemos determinado la intensidad de campo eléctrico, situamos una
 carga Q3 = – 0,5 μC = – 0,5 · 10–6 C el modo más simple de calcular la fuerza resultante
 (suma de las que ejercerían Q1 y Q2) sobre ella es aplicar la definición de intensidad de
 campo en ese punto:                               r
                                         u
                                         r  F
                                         E=
                                            Q3
    despejamos la fuerza resultante sobre Q3:

           r       u
                   r          −6
                                           r      r
           F = Q3 ×E = −0,5 ×
                            10 ×2, 22 × i = −1,11 i N
                                      10 6




                                                                         20
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• Potencial eléctrico Ve en un punto del campo (del espacio)
Como hicimos en el campo gravitatorio, definiremos el potencial a partir del concepto de energía
potencial eléctrica.

         Energía potencial eléctrica de un sistema de cargas
Tenemos una carga eléctrica Q que crea un campo y a una distancia r se encuentra otra carga q :



             Q                                 q
                               r
              +                                 –
                                                       ∞
  La energía potencial eléctrica de una carga q que se encuentra en un punto de un campo
  eléctrico creado por la carga Q a una distancia r de ésta, es igual al trabajo que realiza la fuerza
  del campo para trasladar la carga q desde dicho punto hasta el infinito.


 Matemáticamente se expresa mediante la ecuación:

                                            Q ×q
                                   E pe = k
                                             r


                                                                           21
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• Potencial eléctrico Ve en un punto del campo es la energía potencial
                         eléctrica que tiene la unidad de carga situada en
                         ese punto.




                +
                    Q                                                              – Q
                                                        Q ×q
                          r             E pe        k                                       r
                                                         r        Q
                                 Ve =           =              =k
                                          q             q         r
                                                        Q
                                              Ve = k           Unidad en el S.I.
                                                        r
                                                               J
                                                                 = Voltio ( V)
                                                               C
Al calcular el potencial eléctrico es obligatorio poner el signo de la carga, con lo que:

    • Una carga positiva crea en cualquier punto un potencial eléctrico POSITIVO
    • Una carga negativa crea en cualquier punto un potencial eléctrico NEGATIVO

                                                                           22
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• Potencial eléctrico Ve en un punto del campo creado por varias cargas
 Cuando existen varias cargas, al igual que en el campo gravitatorio, se cumple el principio
 de superposición y el potencial en un punto es la suma algebraica del potencial que cada
 carga crea en ese punto:


                                                La carga Q1 crea en el punto P un
                                      P         potencial eléctrico Ve 1:
       Q1
          +           r1                                               Q1
                                                            Ve 1 = k
                                 r2                                    r1
                                                La carga Q2 crea en el punto P un
                           –                    potencial eléctrico Ve 2:
                           Q2                                         Q2
                                                             Ve 2 = k
                                                                      r2

El potencial eléctrico Ve en el punto P será la suma algebraica de los potenciales Ve 1 y Ve 2:
                                                               Q1    Q2
                                          Ve = Ve 1 + Ve 2 = k    +k
                                                               r1    r2
                                                                         23
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• Potencial eléctrico Ve (Cont.)
 Al igual que vimos en el campo gravitatorio, la diferencia de potencial entre dos puntos de
 un campo eléctrico la podemos relacionar con el trabajo que realiza el campo para
 trasladar a una carga q desde el primer punto al segundo:
 Vimos que:                  B
                                  WA = Ep A − Ep B
 A partir de la definición de potencial eléctrico, podemos escribir que:
                     Ep                                      Ep = q ×Ve
                Ve =
                     q
Sustituyendo en la expresión anterior:

                    WA = Ep A − Ep B = q ×Ve A − q ×Ve B
                     B

 Y sacando factor común la carga nos queda:
Región del espacio en
la que existe un
                            B                                       WA = q ×(VA − VB )
                                                                     B

campo eléctrico
                                VB
                        El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico en este desplazamiento de
                        la carga q es igual al producto de la carga por la diferencia de potencial entre los
                        puntos inicial y final:
      q
  A                                                 WA = q ×(VA − VB )
                                                     B
          VA
  Esta expresión es válida sea cual sea el camino que haya seguido la carga q para ir desde el punto A al B.
                                                                                24
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Actividad 16 página 180:
     Datos:Q = +4 · 10–8 C; r = 5 cm = 0,05 m; K = 9·109 N·m2·C–2 ; q = – 1,5 · 10–9 C
  a) Aplicamos la expresión del potencial (como es una magnitud escalar, es necesario poner
  la carga con su signo y no el valor absoluto de la carga, como hemos hecho hasta ahora para
  calcular la fuerza y la intensidad de campo).

                        Q           10−8
                               9 +4 ×
                 Ve = K   =9×
                            10           = +7200 V
                        r         0, 05
 b) Como conocemos ya el potencial en ese punto, la energía potencial eléctrica la
 obtenemos multiplicando la carga q que colocamos por el potencial eléctrico del punto:

                                             E pe
                                      Ve =
                                               q
 Despejamos:
                    Ep e = q · Ve = – 1,5 · 10–9 ·7200 = – 1,1 · 10–5 J




                                                                         25
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2.2.Representación del campo eléctrico
Un campo de fuerzas, como el campo eléctrico puede representarse por sus
líneas de fuerzas o líneas de campo y por sus superficies equipotenciales
►Las líneas de fuerzas o líneas de campo son líneas imaginarias tangentes al
vector intensidad de campo en cada punto.
Se trazan de modo que la densidad de líneas de campo sea proporcional al
módulo del campo eléctrico




                   +                                                         –
               Q                                                         Q




Lineas de fuerzas del campo eléctrico                  Lineas de fuerzas del campo eléctrico

creado por una carga puntual Q positiva                creado por una carga puntual Q negativa



                                                                           26
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Líneas de fuerzas del campo eléctrico creado por un sistema de dos cargas
puntuales iguales




                                                   r
                       r                           E
                       E


                         r                                        r
                         E                                        E




  Applet de                                                       Applet
  Angel Franco          Applet                         Applet2    S.Reddy

                                                                  27
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►Al unir los puntos en los cuales el potencial eléctrico tiene el mismo valor se
obtienen las superficies equipotenciales.
•Las superficies equipotenciales son, en cada punto, perpendiculares a la línea
de campo que pasa por ese punto.
•El trabajo que realiza el campo eléctrico para trasladar cualquier carga de un
punto a otro de la misma superficie equipotencial es nulo.
Sabemos que :             WA = q ×(VA − VB )
                           B


   Si VA = VB        se cumple que el trabajo es nulo :             WA = 0
                                                                     B

•Para una carga puntual, las superficies equipotenciales son superficies esféricas
con centro en la carga.
                                                  Líneas de campo




                                Superficies
                                equipotenciales



                                                                      28
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CONDUCTORES y AISLANTES (DIELÉCTRICOS)

LOS CONDUCTORES, debido al tipo de enlace que une a sus átomos,
tienen cargas libres, que se pueden mover por el conductor.
Si situamos un conductor en un campo eléctrico, sus cargas libres se ven sometidas
a fuerzas eléctricas que las empujarán hasta la superficie del conductor
                             r              r      r
                          r F
                Como:     E=         ⇒      F = q ×E
                             q

LOS AISLANTES, por el contrario, se caracterizan por la baja movilidad
que tienen sus electrones, debido al tipo de enlace que une sus átomos.


Carácter relativo de conductores y aislantes:
 Hay buenos conductores eléctricos y malos conductores eléctricos. Igualmente,
hay buenos y malos aislantes eléctricos.


Se dice que un conductor alcanza EL EQUILIBRIO ELECTROSTÁTICO
(E.E.) cuando sus cargas libres están en reposo.
                                                                      29
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Propiedades de los conductores en equilibrio electrostático (E.E.):
                       r
• El campo eléctrico   E en todo punto del interior der un conductor en E.E. es nulo.
                                            r
 Ya que si no fuese así, existiría una fuerza   F =q ⋅ E   que pondría en movimiento
 a las cargas libres, lo que está en contra de la hipótesis.

                r                                                 r
                E=0                                               E≠0
             r      r                                      r    r
             F = q ×E = 0                                  F =q× ≠0
                                                                E

Conductor en equilibrio electrostático     Si el conductor no está en E.E. el campo
                                           eléctrico en su interior no es nulo y existiría
                                           una fuerza que movería a las cargas

• Sí un conductor está cargado, el exceso de carga se distribuye por la superficie del
conductor, luego la carga neta en el interior de un conductor (suma de las cargas
positivas y negativas) es siempre nula.


                                                                       30
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Propiedades de los conductores en equilibrio electrostático (E.E.): (Cont.)

 • El campo eléctrico en cualquier punto exterior y próximo a un conductor cargado
 en E.E. es siempre perpendicular a la superficie del conductor. De no ser así, se
 podría descomponer en dos componentes, una perpendicular a la superficie y otra
 tangencial, y ésta ejercería una fuerza sobre las cargas, dejando de estar por tanto
 en E.E.




 • Todo conductor en E.E. constituye un volumen equipotencial, lo que significa que
 el potencial es el mismo en todos sus puntos. Este potencial recibe el nombre de
 POTENCIAL DEL CONDUCTOR.
 De no ser así, las cargas libres irían de un punto a otro con menor potencial y esto
 está en contra de la hipótesis.




                                                                       31
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Movimiento de una partícula cargada en el interior de un campo eléctrico
(applet)



Movimiento de una partícula cargada en el interior de un campo eléctrico
(applet modelo interactivo)




                                                                  32
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33
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Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica
                 Electrización por contacto




                 +                    +
                                      –   – +
                                            –    – +
                                                   –   – +
                                                         –     Cuerpo con
                                                                Cuerpo
             +                                                 carga neta
                                      + – +     – + – +         neutro
         +                            –   –       –   –        positiva
     +
                                      + – +
                                      –   –     – +
                                                  –    – +
                                                         –
 +




                                                                   34
             IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica




                                         Volver
                                                            35
      IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica


                  Electrización por frotamiento




                                Volver
                                                                  36
                      IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química   36
01/14/13
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Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica
                      Electrización por contacto
                      +                              +
                                                     –   +
                                                         –   +
                                                             –   +
                                                                 –   Cuerpo
                  +
                                                     +   +   +   +   neutro
             +                                       –   –   –   –
     +
                                                     +
                                                     –   +
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 +

                                             +   +   +   +   +
                                           +–        –   –   –
                                       –
                                      +          +   +   +   +
                                  –                  –   –   –
                              +
                          +                      +   +   +
                                                         –   +
                                                             –


                    +
                  +–                                 +   +
                                                         –   +
                                                             –   +
                                                                 –   Cuerpo con
              –                                                      carga neta
             +
         –                                           +   +
                                                         –   +
                                                             –   +
                                                                 –   positiva
     +
 +                                                   +   +   +
                                                             –   +
                                                                 –
                                                                       37
                 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica
                 Electrización por contacto




                 +                    +
                                      –   – +
                                            –    – +
                                                   –   – +
                                                         –     Cuerpo con
                                                                Cuerpo
             +                                                 carga neta
                                      + – +     – + – +         neutro
         +                            –   –       –   –        positiva
     +
                                      + – +
                                      –   –     – +
                                                  –    – +
                                                         –
 +




                            Volver

                                                                   38
             IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica
                         Electrización por inducción



                                                                        Cuerpo con
                                                                        Cuerpo
                                                + – –+ + – + – + +
                                                – + – – + – –
                                                –         –             carga neta
                 +                                                      neutro
             +                                                          negativa
         +                                      – + –+ +– –+ +– – ++
                                                + – –
                                                –          –      –
    +                                                + – +
                                                – + – + – + – ++
                                                +
                                                –    –   –    –
+

                                                                                –




                                       Volver
                                                                           39
                     IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica
                        Electrización por inducción
                                               + + –+ + – + – + +
                                                         +             Cuerpo
                +                              –
                                               –    –    –    –        neutro
            +
        +                                      – + –+ + –+ + – ++
                                               +
                                               –    –    –     –              –
    +                                          – + – + – + – ++
                                               +    +   +
                                               –    –   –    –
+

                                                                               –
                                    +
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                                                    –       +
                                                            –         Cuerpo con
                                         + –   + –    + – +           carga neta
                                         –     –      –   –           negativa
                                         +
                                         –     + – +
                                               –   –        +
                                                            –

                                                                          40
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  • 1. Tema 7: CAMPO ELÉCTRICO Carga eléctrica Fuerzas eléctricas Ley de Coulomb Descripción del campo eléctrico Estudio del Campo eléctrico campo eléctrico Representación del campo eléctrico Determinación del campo eléctrico Conductores Comportamiento de la materia Dieléctricos en campos eléctricos Condensadores 1 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 2. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica La carga eléctrica de un cuerpo tiene su origen en la estructura atómica de la materia. La corteza de los átomos está formada por electrones, partículas con carga negativa, mientras que el núcleo de los átomos está constituido por protones, partículas con carga positiva del mismo valor absoluto que la carga del electrón, y neutrones, sin carga eléctrica En condiciones normales, los cuerpos son neutros, porque sus átomos tienen el mismo número de protones que de electrones La electrización es el proceso por el que un cuerpo adquiere carga eléctrica, cuando sus átomos ganan o pierden electrones. • Si pierden electrones, el cuerpo adquiere carga positiva • Si gana electrones, adquiere carga negativa. Los cuerpos se pueden electrizar por frotamiento, por contacto o por inducción La unidad de carga eléctrica en el S.I. es el Culombio (C) 2 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 3. 1.Fuerzas eléctricas 1.1. Carga eléctrica Las propiedades de la carga eléctrica son: • Sólo existen dos clases de carga, la positiva y la negativa. No existe la carga neutra: un cuerpo neutro contiene cargas positivas y cargas negativas en igual número. • Las cargas eléctricas interaccionan entre sí: ▪ si son de distinto signo, se ejercen entre ellas fuerzas atractivas, ▪ y si son del mismo signo, se ejercen entre ellas fuerzas repulsivas. • Conservación de la carga eléctrica. En todo fenómeno físico (o químico) la carga total permanece constante; es posible que alguna carga pase de un cuerpo a otro, pero la carga eléctrica total no varía. Ver figura • Cuantización de la carga eléctrica. Cualquier carga eléctrica que manejemos es siempre un múltiplo entero de una unidad elemental de carga eléctrica, que es la carga del electrón. Esto es evidente si tenemos presente que los cuerpos se electrizan ganando o cediendo electrones, por tanto la carga que adquiera tiene que ser un cierto número de veces, la carga del electrón. 1 electrón = 1,6 ·10 –19 C 3 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 4. 1.2. Ley de COULOMB Las fuerzas de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales • están dirigidas a lo largo de la línea que las une • Cada fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa r r r r r Fr r r F2,1 Q1 u1 u 2 Q2 F1,2 Q1 u1 2,1 F u 2 Q2 1,2 + + + – r r r r r r r Fr r r F2,1 u1 u2 F1,2 u1 2,1 F u2 1,2 – – – + r r r r Q1 ×Q 2 r r r Q1 ×Q 2 r F1,2 = −F2,1 = k 2 ×u1 F2,1 = − F1,2 = k ×u 2 r r 2 El módulo de estas fuerzas es: Q1 ×Q 2 F2,1 = F1,2 = k r2 4 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 5. 1.2. Ley de COULOMB (Cont.) La constante de proporcionalidad k recibe el nombre de constante eléctrica. Su valor depende del medio que rodea a las cargas. En el vacío y en el aire vale: N ×m 2 k = 9× 9 10 C2 En el agua: 9 N ×m 2 N ×m 2 k= × 9 10 2 = 0,113 × 9 10 80 C C2 5 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 6. 1.2. Ley de COULOMB (Cont.) En el campo eléctrico, al igual que vimos en el campo gravitatorio, se cumple el principio de superposición. La fuerza resultante sobre una carga será la suma vectorial todas las fuerzas que actúan sobre esa carga. Q2 – Q1 – – Q2 r r r F3 F2,3 Vectorialmente: r r r r r F1,3 F3 r F3 = F1,3 + F2,3 F2,3 F3 En módulos: + Q3 F3 = F2,3 − F1,3 + r – Q2 Q1 F2,3 r + r – r Q3 r r F1,3 F3 = F1,3 + F2,3 Q3 F1,3 Vectorialmente: F3 = F1,3 + F2,3 + 2 ×F1,3 ×F2,3 × 2 2 cosα r r r F3 = F1,3 + F2,3 r r r – Q Vectorialmente: F3 = F + F2,3 En módulos: 1,3 1 En módulos: F = F + F2,3 F3 = F1,3 + F2,3 2 2 r 3 r 1,3 F2,3 F1,3 r + + F3 – Q1 Q3 Q2 6 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 7. COMPARACIÓN ENTRE LA LEY DE NEWTON Y LA LEY DE COULOMB Ley de Newton Ley de Coulomb SEMEJANZAS *Existen dos fuerzas, una sobre cada cuerpo *Las dos fuerzas tienen el mismo valor y son de sentido contrario *Son directamente proporcionales al producto de las masas (cargas) *Son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia DIFERENCIAS Las fuerzas: Las fuerzas: *Son siempre atractivas *Pueden ser atractivas o repulsivas *No dependen del medio *Sí dependen del medio *Existen entre cualquier pareja de cuerpos *Sólo existen entre cuerpos con carga eléctrica neta *Son importantes sólo cuando un cuerpo es *Son importantes en cuerpos pequeños, y muy grande y no a nivel atómico o a nivel atómico y molecular molecular 7 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 8. Actividad 8 página 175: Datos: Q1 = + 3 ·10–6 C; Q2 = + 1,2 · 10–5 C; r = 50 cm = 0,50 m; K = 9·109 N·m2·C–2 a) Para calcular el valor de la fuerza basta aplicar la expresión del módulo de la fuerza de Coulomb: Q1 ×Q 2 3 × −6 × 2 × −5 10 1, 10 F =F=k× =9× × 10 9 2 = 1,3 N r2 0,5 b) Si el medio interpuesto entre las cargas es agua, distinto del vacío (aire), el valor de la constante eléctrica es 80 veces más pequeño, ya que la permitividad eléctrica del agua respecto del vacío (constante dieléctrica del agua) vale 80: 9× 9 10 N ×m 2 K agua = = 0,1125 × 9 10 80 C2 La fuerza se hará 80 veces más pequeña. En efecto: r Q1 ×Q 2 10−6 × 2 × −5 9 3× 1, 10 F =F=k× = 0,1125 × × 10 = 1,62 × −2 N 10 r2 0,52 8 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 9. Actividad 9 página 175: Datos: Q1 = +2 μC = + 2 · 10–6 C; Q2 = +4 μC = + 4· 10–6 C; d = 90 cm = 0,90 m; K = 9·109 N·m2·C–2 Q3 = – 3 μC = – 3 · 10–6 C; a 30 cm = 0,30 m de Q1 Hacemos un esquema de la situación de las cargas en el que podamos dibujar las fuerzas. Sobre Q3 actúan dos fuerzas: r ●una la que le ejerce la carga Q1 F1,3 La resultante de estas dos fuerzas es: r r r r ●y otra la que le ejerce Q2 F2,3 F3 = F1,3 + F2,3 0,30 cm 0,60 cm + r r – r + Q2 Q1 F1,3 F3 Q3 F2,3 Calculamos primero el valor (módulo) de la fuerza que Q1 ejerce sobre Q3: Q1 ×Q3 2 × −6 × × −6 10 3 10 F1,3 = k × = 9× × 10 9 = 0,6 N r2 0,32 Calculamos después el valor (módulo) de la fuerza que Q2 ejerce sobre Q3: Q 2 ×Q3 4 × −6 ×3 × −6 10 10 F2,3 = k × = 9× × 109 = 0,3 N r2 0,6 2 Aplicamos el principio de superposición para obtener la fuerza resultante: r r r F3 = F1,3 + F2,3 y para sumar dos vectores de la misma dirección y sentido contrario, restamos sus módulos: F3 = F1,3 − F2,3 = 0, 6 − 0,3 = 0,3 N y tiene el sentido de la fuerza mayor. 9 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 10. Actividad 9 página 175 (Cont.): 0,30 m 0,60 m + r r – r + Q2 Q1 F1,3 F3 Q3 F2,3 (Figura anterior) r r r (como se ─ Si la carga Q3 fuese positiva cambiaría el sentido de las fuerzas F1,3 F2,3 F3 indica en la figura) 0,30 m 0,60 m + r + r r + Q2 Q1 F2,3 Q3 F3 F1,3 pero tendrían el mismo valor que antes, F1,3 = 0,6 N y F2,3 = 0,3 N. Aplicamos el principio de superposición para obtener la fuerza resultante: r r r F3 = F1,3 + F2,3 y para sumar dos vectores de la misma dirección y sentido contrario, restamos sus módulos: F3 = F1,3 − F2,3 = 0, 6 − 0,3 = 0,3 N y tiene el sentido de la fuerza mayor. La fuerza resultante apunta ahora a la carga Q2 y antes a Q1 10 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 11. 2.Estudio del campo eléctrico Llamamos campo eléctrico a la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener carga eléctrica Cuando otra carga eléctrica se sitúa en esta región del espacio, interacciona con el campo y experimenta una fuerza eléctrica – r FQ,q – + r q r FQ,q FQ, q – + – Q r FQ, q r + FQ, q – El campo eléctrico, como el gravitatorio, es un campo de fuerzas centrales (radiales) y por tanto conservativo 11 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 12. 2.1.Descripción del campo eléctrico Los campos eléctricos, al igual que hicimos en el campo gravitatorio, se describen mediante dos magnitudes, una vectorial, r • La Intensidad de campo eléctrico en un punto del campo E y otra escalar • Potencial eléctrico en un punto del campo Ve 12 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 13. r • Intensidad de campo eléctrico E en un punto del campo (espacio) Es la fuerza que actuaría sobre la unidad de carga POSITIVA situada en ese punto r r u u Q Q – + r r r r u r u E + r + E r k Q ×q ×u r r F Q r E= = r2 = k 2 ×u q q r El módulo de este vector es: Unidad en el S.I. r Q N E =E=k 2 = N ×C −1 r C 13 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 14. Actividad 1 : Calcula el valor de la intensidad del campo eléctrico que crea una carga puntual de –6 μC en un punto P que dista de ella 40 cm. N ×m2 Datos: Q = –6 μC =–6·10 C ;r = 40 cm = 0,40 m; –6 K = 9·10 9 C2 Q P Cuidamos de que todas las unidades estén expresadas en el S.I. y aplicamos la expresión r que vimos en la diapositiva 13, que nos permite calcular el módulo (valor) de la intensidad de campo: r Q 6 × −6 10 N E = E = K 2 = 9×10 9 2 = 3,375 ×10 5 r 0, 40 C Actividad 2 : Expresa vectorialmente la intensidad del campo eléctrico que hemos calculado en la actividad anterior. y Dibujamos unos ejes cartesianos con centro en r la r r carga que crea el campo y dibujamos el vector E Q i E P y el vector unitario en la dirección y sentido carga r r r X que crea el campo al punto u = i . Finalmente aplicamos la ecuación de la intensidad de campo de la diapositiva 13: r Q r Q r ( −6 × − 6 ) 10 r N E = K 2 × = K 2 ×i = 9 × u 10 9 2 = − 8,34 × −8 10 i r r 0, 40 kg 14 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 15. Actividad 3 : En el punto (3,0) m existe una carga puntual de –4 μC y en el punto (0,-4) m otra de +6μC. Calcular el valor de la intensidad del campo eléctrico creado por ambas cargas en el origen de coordenadas. K =9·109 N ×m 2 Datos: (3,0) m ; Q1 = –4 μC= 4·10–6 C; (0,4) m ; Q2 = +6μC = +6·10–6 C; 2 C y Dibujamos unos ejes de coordenadas con los puntos y las r r cargas. E2 E A continuación dibujamos los vectores campo creado por cada Q1 carga en el punto (0,0). X r r r Ahora calculamos el valor de los vectores E1y E 2 . E1 (3,0) m r Q1 4 ×10− 6 3 N E1 = E1 = K 2 = 9 ×10 9 2 = 4 ×10 r1 3 C r Q2 9 6× 10− 6 3 N Q2 (0,-4) m E 2 = E 2 = K 2 = 9 ×10 2 = 3,375 ×10 r2 4 C Según el principio de superposición, el campo resultante en el origen de coordenadas será la suma vectorial del campo creado por cada carga. r Finalmente, podemos calcular el valor del vector E aplicando el teorema de Pitágoras. N E = E12 + E 2 = 42 + 3,3752 ×103 = 5,23 ×103 2 C 15 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 16. Actividad 7 : Calcula potencial gravitatorio que crea una masa puntual de 200 kg en un punto P que dista de ella 40 cm. N ×m2 Datos: m = 200 kg ; r = 40 cm = 0,40 m; G = 6,67·10 ─11 kg2 M P Cuidamos de que todas las unidades estén expresadas en el S.I. y aplicamos la expresión r que vimos en la diapositiva 31, que nos permite calcular el potencial gravitatorio: M −11 200 −8 J V = −G = − 6,67 ×10 = − 3,34 ×10 r 0, 40 kg Actividad 8 : ¿Cuánto dista el punto A de la figura de la masa M? Nos dan la masa M que crea el M = 350 kg A campo y el potencial creado por r VA = − 5 × −8 J ×kg −1 ella en unr punto A que dista una 10 distancia de M. Aplicamos la expresión anterior del potencial gravitatorio, despejando la distancia que nos piden: M M 350 V = −G r = − G = − 6,67 ×10 −11 −8 = 0, 47 m r V −5 ×10 16 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 17. • Intensidad de campo eléctrico creado por varias cargas en un punto del campo Cuando existen varias cargas, al igual que en el campo gravitatorio, se cumple el principio de superposición: r r u2 E Campo creado por Q1: – r r Q2 r2 E1 Q r E1 = k 21 × 1 u r r1 E2 + P Campo creado por Q2: r Q r r1 E 2 = k 22 × 2 u r r2 u1 + Q1 El campo eléctrico resultante en el punto P es la suma vectorial del campo eléctrico creado por las cargas Q1 y Q2 : r r r E = E1 + E 2 17 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 18. Actividad 11 página 177: Datos: Q = +4 μC = + 4· 10–6 C; r = 50 cm = 0,50 m; u r a) En el vacío K = 9·10 N·m ·C 9 2 –2 Dibujamos el vector campo E 0,5 m Este es el vector intensidad de campo creado por + u r + E la carga Q a 0,50 m de distancia. Su módulo es: Q Q 4 × −6 10 N E=k = 9× 10 9 = 1, 4 × 5 10 r2 0,50 2 C b) En el agua, como la permitividad eléctrica relativa del agua vale 80, vimos en el ejercicio 8 que la constante k toma el siguiente valor: 9× 9 10 9 N×m2 K agua = = 0,1125 ×10 80 C2 Y el valor de la intensidad de campo será: Q 4 × −6 10 N E = k 2 = 0,1125 × 10 = 1,8 × 3 9 10 r 0,502 C 18 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 19. Actividad 14 página 177: Datos: Q1 = +4 μC = +4 · 10–6 C; Q2 = + 1 μC = + 1· 10–6 C; d = 30 cm = 0,30 m; r1 =12 cm =0,12 m; K = 9·109 N·m2·C–2 Hacemos un esquema de la situación de las cargas en el que podamos dibujar el vector intensidad de campo creado por cada una de ellas en el punto que nos piden. 0,30 m 0,12 m P + r + r u r + Q2 Q1 E2 E E1 x Calcularemos sus módulos: Q1 9 4×10−6 N Q2 1 × −6 10 N E1 = k = 9× 10 = 2,5 × 6 10 E2 = k = 9× 109 = 2, 78 × 5 10 r 1 2 0,12 2 C r22 0,182 C Aplicamos el principio de superposición para calcular el campo resultante: u u u r r r E = E1 + E 2 y como se trata de dos vectores de la misma dirección y sentido contrario, para calcular el módulo del vector resultante, restamos los módulos de los vectores componentes: N E = E1 – E2 = 2,5 ·106 – 2,78 ·105 = 2,22 ·106 C u r r N Vectorialmente podemos poner que: E = 2, 22 × i 10 6 C 19 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 20. Actividad 14 página 177 (Cont): Si en el punto donde hemos determinado la intensidad de campo eléctrico, situamos una carga Q3 = – 0,5 μC = – 0,5 · 10–6 C el modo más simple de calcular la fuerza resultante (suma de las que ejercerían Q1 y Q2) sobre ella es aplicar la definición de intensidad de campo en ese punto: r u r F E= Q3 despejamos la fuerza resultante sobre Q3: r u r −6 r r F = Q3 ×E = −0,5 × 10 ×2, 22 × i = −1,11 i N 10 6 20 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 21. • Potencial eléctrico Ve en un punto del campo (del espacio) Como hicimos en el campo gravitatorio, definiremos el potencial a partir del concepto de energía potencial eléctrica. Energía potencial eléctrica de un sistema de cargas Tenemos una carga eléctrica Q que crea un campo y a una distancia r se encuentra otra carga q : Q q r + – ∞ La energía potencial eléctrica de una carga q que se encuentra en un punto de un campo eléctrico creado por la carga Q a una distancia r de ésta, es igual al trabajo que realiza la fuerza del campo para trasladar la carga q desde dicho punto hasta el infinito. Matemáticamente se expresa mediante la ecuación: Q ×q E pe = k r 21 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 22. • Potencial eléctrico Ve en un punto del campo es la energía potencial eléctrica que tiene la unidad de carga situada en ese punto. + Q – Q Q ×q r E pe k r r Q Ve = = =k q q r Q Ve = k Unidad en el S.I. r J = Voltio ( V) C Al calcular el potencial eléctrico es obligatorio poner el signo de la carga, con lo que: • Una carga positiva crea en cualquier punto un potencial eléctrico POSITIVO • Una carga negativa crea en cualquier punto un potencial eléctrico NEGATIVO 22 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 23. • Potencial eléctrico Ve en un punto del campo creado por varias cargas Cuando existen varias cargas, al igual que en el campo gravitatorio, se cumple el principio de superposición y el potencial en un punto es la suma algebraica del potencial que cada carga crea en ese punto: La carga Q1 crea en el punto P un P potencial eléctrico Ve 1: Q1 + r1 Q1 Ve 1 = k r2 r1 La carga Q2 crea en el punto P un – potencial eléctrico Ve 2: Q2 Q2 Ve 2 = k r2 El potencial eléctrico Ve en el punto P será la suma algebraica de los potenciales Ve 1 y Ve 2: Q1 Q2 Ve = Ve 1 + Ve 2 = k +k r1 r2 23 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 24. • Potencial eléctrico Ve (Cont.) Al igual que vimos en el campo gravitatorio, la diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico la podemos relacionar con el trabajo que realiza el campo para trasladar a una carga q desde el primer punto al segundo: Vimos que: B WA = Ep A − Ep B A partir de la definición de potencial eléctrico, podemos escribir que: Ep Ep = q ×Ve Ve = q Sustituyendo en la expresión anterior: WA = Ep A − Ep B = q ×Ve A − q ×Ve B B Y sacando factor común la carga nos queda: Región del espacio en la que existe un B WA = q ×(VA − VB ) B campo eléctrico VB El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico en este desplazamiento de la carga q es igual al producto de la carga por la diferencia de potencial entre los puntos inicial y final: q A WA = q ×(VA − VB ) B VA Esta expresión es válida sea cual sea el camino que haya seguido la carga q para ir desde el punto A al B. 24 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 25. Actividad 16 página 180: Datos:Q = +4 · 10–8 C; r = 5 cm = 0,05 m; K = 9·109 N·m2·C–2 ; q = – 1,5 · 10–9 C a) Aplicamos la expresión del potencial (como es una magnitud escalar, es necesario poner la carga con su signo y no el valor absoluto de la carga, como hemos hecho hasta ahora para calcular la fuerza y la intensidad de campo). Q 10−8 9 +4 × Ve = K =9× 10 = +7200 V r 0, 05 b) Como conocemos ya el potencial en ese punto, la energía potencial eléctrica la obtenemos multiplicando la carga q que colocamos por el potencial eléctrico del punto: E pe Ve = q Despejamos: Ep e = q · Ve = – 1,5 · 10–9 ·7200 = – 1,1 · 10–5 J 25 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 26. 2.2.Representación del campo eléctrico Un campo de fuerzas, como el campo eléctrico puede representarse por sus líneas de fuerzas o líneas de campo y por sus superficies equipotenciales ►Las líneas de fuerzas o líneas de campo son líneas imaginarias tangentes al vector intensidad de campo en cada punto. Se trazan de modo que la densidad de líneas de campo sea proporcional al módulo del campo eléctrico + – Q Q Lineas de fuerzas del campo eléctrico Lineas de fuerzas del campo eléctrico creado por una carga puntual Q positiva creado por una carga puntual Q negativa 26 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 27. Líneas de fuerzas del campo eléctrico creado por un sistema de dos cargas puntuales iguales r r E E r r E E Applet de Applet Angel Franco Applet Applet2 S.Reddy 27 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 28. ►Al unir los puntos en los cuales el potencial eléctrico tiene el mismo valor se obtienen las superficies equipotenciales. •Las superficies equipotenciales son, en cada punto, perpendiculares a la línea de campo que pasa por ese punto. •El trabajo que realiza el campo eléctrico para trasladar cualquier carga de un punto a otro de la misma superficie equipotencial es nulo. Sabemos que : WA = q ×(VA − VB ) B Si VA = VB se cumple que el trabajo es nulo : WA = 0 B •Para una carga puntual, las superficies equipotenciales son superficies esféricas con centro en la carga. Líneas de campo Superficies equipotenciales 28 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 29. CONDUCTORES y AISLANTES (DIELÉCTRICOS) LOS CONDUCTORES, debido al tipo de enlace que une a sus átomos, tienen cargas libres, que se pueden mover por el conductor. Si situamos un conductor en un campo eléctrico, sus cargas libres se ven sometidas a fuerzas eléctricas que las empujarán hasta la superficie del conductor r r r r F Como: E= ⇒ F = q ×E q LOS AISLANTES, por el contrario, se caracterizan por la baja movilidad que tienen sus electrones, debido al tipo de enlace que une sus átomos. Carácter relativo de conductores y aislantes: Hay buenos conductores eléctricos y malos conductores eléctricos. Igualmente, hay buenos y malos aislantes eléctricos. Se dice que un conductor alcanza EL EQUILIBRIO ELECTROSTÁTICO (E.E.) cuando sus cargas libres están en reposo. 29 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 30. Propiedades de los conductores en equilibrio electrostático (E.E.): r • El campo eléctrico E en todo punto del interior der un conductor en E.E. es nulo. r Ya que si no fuese así, existiría una fuerza F =q ⋅ E que pondría en movimiento a las cargas libres, lo que está en contra de la hipótesis. r r E=0 E≠0 r r r r F = q ×E = 0 F =q× ≠0 E Conductor en equilibrio electrostático Si el conductor no está en E.E. el campo eléctrico en su interior no es nulo y existiría una fuerza que movería a las cargas • Sí un conductor está cargado, el exceso de carga se distribuye por la superficie del conductor, luego la carga neta en el interior de un conductor (suma de las cargas positivas y negativas) es siempre nula. 30 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 31. Propiedades de los conductores en equilibrio electrostático (E.E.): (Cont.) • El campo eléctrico en cualquier punto exterior y próximo a un conductor cargado en E.E. es siempre perpendicular a la superficie del conductor. De no ser así, se podría descomponer en dos componentes, una perpendicular a la superficie y otra tangencial, y ésta ejercería una fuerza sobre las cargas, dejando de estar por tanto en E.E. • Todo conductor en E.E. constituye un volumen equipotencial, lo que significa que el potencial es el mismo en todos sus puntos. Este potencial recibe el nombre de POTENCIAL DEL CONDUCTOR. De no ser así, las cargas libres irían de un punto a otro con menor potencial y esto está en contra de la hipótesis. 31 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 32. Movimiento de una partícula cargada en el interior de un campo eléctrico (applet) Movimiento de una partícula cargada en el interior de un campo eléctrico (applet modelo interactivo) 32 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 33. 33 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 34. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Electrización por contacto + + – – + – – + – – + – Cuerpo con Cuerpo + carga neta + – + – + – + neutro + – – – – positiva + + – + – – – + – – + – + 34 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 35. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Volver 35 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 36. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Electrización por frotamiento Volver 36 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química 36 01/14/13 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 37. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Electrización por contacto + + – + – + – + – Cuerpo + + + + + neutro + – – – – + + – + – + – + – + + + + + + +– – – – – + + + + + – – – – + + + + + – + – + +– + + – + – + – Cuerpo con – carga neta + – + + – + – + – positiva + + + + + – + – 37 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 38. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Electrización por contacto + + – – + – – + – – + – Cuerpo con Cuerpo + carga neta + – + – + – + neutro + – – – – positiva + + – + – – – + – – + – + Volver 38 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 39. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Electrización por inducción Cuerpo con Cuerpo + – –+ + – + – + + – + – – + – – – – carga neta + neutro + negativa + – + –+ +– –+ +– – ++ + – – – – – + + – + – + – + – + – ++ + – – – – + – Volver 39 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2
  • 40. Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica Electrización por inducción + + –+ + – + – + + + Cuerpo + – – – – – neutro + + – + –+ + –+ + – ++ + – – – – – + – + – + – + – ++ + + + – – – – + – + + + + + + – – + – – + – – + – Cuerpo con + – + – + – + carga neta – – – – negativa + – + – + – – + – 40 IPEP de Cádiz - Departamento de Física y Química - FIS2