Una carga puntual en reposo crea un campo de fuerza en su entorno. Este campo de fuerza se conoce como campo eléctrico. Puede entender el campo de fuerza como un campo creado por un imán en su entorno debido a que la pieza de hierro es atraída hacia el imán. Otro ejemplo de campo de fuerza es el campo gravitacional. Por lo tanto, es un campo de fuerza creado por una carga estática. Es una cantidad vectorial. Por lo tanto, debe tener tanto magnitud como dirección.
Índice de contenidos
Intensidad de campo eléctrico:
La intensidad del campo eléctrico en un punto particular del espacio se define como la fuerza sobre una unidad de carga de prueba. Básicamente, es un parámetro para medir la fuerza del campo eléctrico. se denota como mi. Tenga en cuenta aquí que +1 C de carga se conoce como carga de prueba unitaria.
Supongamos que una carga puntual de magnitud +Q se encuentra en algún punto P como se muestra en la figura a continuación. Ahora, queremos encontrar la magnitud y la dirección de la intensidad del campo eléctrico en el punto S.
Por lo tanto, mantendremos una carga de prueba unitaria en el punto S y hallaremos la magnitud y la dirección de la fuerza sobre esta carga de prueba unitaria. Bueno, para encontrar la magnitud y la dirección de la fuerza en la carga de prueba unitaria, usaremos Ley de colomb.
Por lo tanto,
Magnitud del campo eléctrico E en el punto S = fuerza de colomb en carga de prueba en S
= Q / (4πξ0r2)
Por lo tanto, Magnitud de la Intensidad del Campo Eléctrico en el punto S = Q / (4πξ0r2)
Como dos cargas similares se repelen entre sí, por lo tanto, la carga +Q ejercerá una fuerza sobre la carga de prueba, como lo muestra la flecha en la figura anterior. Esta es la dirección de la intensidad del campo eléctrico en el punto S.
Así, la Intensidad de Campo Eléctrico debido a una carga puntual +Q a cierta distancia r es Q / (4πξ0r2) en una dirección determinada por Ley de colomb.
Cálculo del Campo Eléctrico:
Siempre que necesite encontrar el vector de intensidad de campo eléctrico en cualquier punto, siga estos pasos:
- Mantenga una carga de prueba unitaria, es decir, +1 C en el punto
- Encuentre la fuerza resultante sobre la carga unitaria de prueba por las cargas puntuales. Tenga en cuenta que, si hay más de una carga, entonces necesita encontrar la resultante de las fuerzas individuales.
- La magnitud de la fuerza resultante es la Intensidad del Campo Eléctrico en ese punto y la dirección de la fuerza resultante da la dirección de la Intensidad del Campo Eléctrico en ese punto.
Ejemplo: Cuatro cargas de igual magnitud +Q se mantienen en las tres esquinas de un cuadrado de lado ‘a’. Encuentre el vector de intensidad del campo eléctrico en la cuarta esquina.
Primero dibujemos la figura como se muestra a continuación.
Paso 1: Mantenga una carga de prueba unitaria en el punto D.
Paso 2: encuentre la fuerza resultante en la carga de prueba unitaria.
Fuerza sobre la carga de prueba en D debido a la carga en A, FDA = Q / (4πξa2)
Fuerza sobre la carga de prueba en D debido a la carga en C, FDC = Q / (4πξa2)
Fuerza sobre la carga de prueba en D debido a la carga en B, FDB = Q / (4πξ(√2a)2)
= Q / (8πξa2)
[As the distance between charge at C and test charge at D = Diagonal of Square = √2a]
Ahora, tenemos que encontrar la resultante de FDA, FDB y CDF. El signo en negrita indica forma vectorial.
Dado que FDA = FDC = Q / (4πξa2) = F (digamos)
Sabemos que la resultante de dos vectores iguales en un ángulo Ɵ es 2FCos(Ɵ/2). La dirección de este vector resultante está en un ángulo de Ɵ/2 desde cualquiera de los vectores. Por lo tanto, aquí la resultante de FDA y FDC, es decir, R será
FDA + CDF = R = 2FCos(90/2) en un ángulo de 45°.
= √2F en un ángulo de 45°.
Ahora, el vector resultante R y FDB están a lo largo de la misma línea formando un ángulo de 45 grados desde el origen.
Por lo tanto,
Fuerza neta sobre la carga de prueba unitaria en el punto D = R + FDB
= √2F + Q / [4πξ(√2a)2]
= √2Q / (4πξa2) + Q / (8πξa2)
= {Q / (4πξa2)} [√2 + 1/2]
= [√2 + 1/2]Q / (4πξa2)
Por lo tanto, el vector de intensidad de campo eléctrico en el punto D tiene una magnitud de [√2 + 1/2]Q / (4πξa2) y dirección como se muestra en la figura anterior. Espero que entiendas la cosa.
Líneas de campo eléctrico y su significado
Ahora sabemos cómo encontrar la dirección del vector de intensidad de campo eléctrico en un punto particular. Las líneas de campo eléctrico no son más que la representación gráfica del campo eléctrico debido a una carga en el espacio. También se conoce como líneas eléctricas de fuerzas. Para dibujar líneas de campo eléctrico, encontramos la dirección del vector de intensidad de campo eléctrico en diferentes puntos alrededor de la carga y hacemos un gráfico.
Líneas eléctricas de fuerzas debidas a una carga puntual
El campo eléctrico debido a una carga positiva en un solo punto se puede calcular fácilmente en diferentes puntos del espacio usando la Ley de Columb y el método explicado. Si encuentra la dirección de la intensidad del campo eléctrico en diferentes puntos y la traza, notará que es radialmente hacia afuera y que emana de la carga. Esto es muy claro ya que la carga positiva repelerá la carga de prueba.
De manera similar, el campo eléctrico debido a una carga puntual negativa es radialmente hacia adentro y termina en una carga negativa. Esto se muestra en la figura. También es bastante obvio que la carga negativa atrae la carga de prueba.
Supongamos que dos cargas +Q y –Q están separadas por cierta distancia y necesitamos dibujar las líneas de campo. En este caso, seguiremos el mismo método pero esta vez encontraremos la dirección del campo resultante en un punto particular debido a ambas cargas. Si dibuja, las líneas de campo se verán como se muestra a continuación en la figura.
Propiedades de las líneas de campo eléctrico
- La tangente en un punto particular a las líneas eléctricas de fuerza da la dirección del vector de intensidad del campo eléctrico en ese punto.
- Si las líneas eléctricas de fuerza se originan isotrópicamente, entonces el campo eléctrico es proporcional al número de líneas que pasan por la unidad de área. ¿No entendiste? Consideremos un ejemplo. Considere dos puntos P1 y P2 como se muestra en la figura anterior. Dibuja áreas pequeñas iguales a través de P1 y P2 perpendiculares a las líneas. Más cantidad de líneas pasa por el área en P1 y menos cantidad de líneas pasa por el área en P2. Por tanto, la fuerza del campo eléctrico en P1 será mayor que en P2.
- Dos líneas de campo eléctrico nunca pueden intersecarse.
¿Por qué las líneas de campo eléctrico nunca pueden cruzarse?
Supongamos que las dos líneas de campo se cruzan en el punto P como se muestra en la figura a continuación.
Trazamos la tangente en el punto P. Obviamente habrá dos tangentes correspondientes a dos líneas de campo. Esto significa que en el punto P existen dos campos eléctricos en dos direcciones lo cual no es posible. Esta es la razón por la que dos líneas de campo eléctrico nunca pueden cruzarse. ¿Entiendo? Por favor comenta.
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