Cargas eléctricas.

En experiencias de cátedras se utilizan corrientemente ebonita y una piel. Si, después de frotada con la piel, una barra de ebonita se coloca en un plato que contenga pequeños trozos de papel de seda, muchos de estos se adherirán al principio a la barra pero al cabo de algunos segundos se alejarán de ella. La atracción inicial se explicará más adelante; la repulsión siguiente es debida a una fuerza aparece simplemente cuando dos cuerpos se electrizan del mismo modo.

El experimento análogo realizado con una barra de vidrio frotada con seda dará el mismo resultado; esferillas de medula de saúco electrizada, cuando se coloca cerca de otra que ha tenido contacto con el vidrio electrizado, ambas se atraen mutuamente.

Estos nos lleva a la conclusión que hay dos clases de cargas eléctricas: la que posee la ebonita después de frotada con la piel, llamada carga negativa, y la que posee el vidrio después de frotada con la seda, llamada carga positiva.

Los experimentos realizados conducen a dos resultados fundamentales:

Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas, sino que el proceso de adquirir cargas eléctricas consiste en ceder algo de un cuerpo a otro, de modo que una de ellas posee un exceso y la otra un déficit de ese algo (electrones.

Coulomb ideó un método ingenioso para hallar como depende de su carga la fuerza ejercida por o sobre un cuerpo cargado. Para eso se baso en la hipótesis de que si un conductor esférico cargado se pone en contacto con un segundo conductor idéntico, inicialmente descargado, por razones de simetría la carga del primero se reparte por igual entre ambos. De este modo dispuso de un método para obtener cargas iguales a la mitad, la cuarta parte, etc., de cualquier carga dada. Los resultados de sus experimentos están de acuerdo con la conclusión de que la fuerza entre dos cargas puntuales, q y q', es proporcional al producto de estas. La expresión completa de la fuerza entre dos cargas puntuales es, por tanto:

;

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto entre ellas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separan.

Se cumple la misma ley cualquiera que sean las cargas q y q', si estas son de igual signo, la fuerza es de repulsión y son de sentidos opuestos una atracción.

Sobre cada una de las cargas se ejerce fuerzas de la misma magnitud y sentidos opuestos.

Campo eléctrico.

La comprobación experimental de la existencia de un campo eléctrico en un punto cualquiera consiste simplemente en colocar un cuerpo cargado en dicho punto, este cuerpo de denomina carga de prueba, existe un campo eléctrico en el punto.

Se dice que existe un campo eléctrico en un punto si sobre un cuerpo cargado en dicho punto se ejerce una fuerza de origen eléctrico.

Dado que la fuerza es una magnitud vectorial, el campo eléctrico es un campo de vectores cuyas propiedades quedan determinadas si se especifican el valor (módulo), la dirección y el sentido de una fuerza eléctrica. La intensidad E del campo del eléctrico en un punto se define como el cociente obtenido al dividir la fuerza F, que actúa sobre una carga de prueba positiva, por el valor q' de esta carga. Así:

Y la dirección y sentido de E son los de F; se deduce de ello que:

F = q'E

De modo que la fuerza sobre una carga negativa, tal como un electrón, tiene sentido opuesto al del campo eléctrico.

Potencial

En lugar de manejar directamente la energía potencial Ep de una partícula cargada, es útil introducir el concepto más general de energía potencial por unidad de carga. Esta magnitud se denomina potencial; el potencial en cualquier punto de un campo electrostático se define como la energía potencial por unidad de carga en dicho punto.

El potencial se representa por la letra v:

o sea,

Tanto la energía potencial como la carga son escalares, de modo que el potencial es una magnitud escalar.

La diferencia Va-Vb se denomina diferencia de potencial a y b, y se designa abreviadamente por Vab. El termino “diferencia de potencial” se sustituye a veces por el de “voltaje” entre a y b. La diferencia entre b y a, Vb-Va es opuesta a la que existe entre a y b:

Vab=Va-Vb = -(Vb-Va)=-Vba

Cálculo de diferencia de potencial.

La diferencia de potencial entre dos puntos arbitrarios a y b de un campo electrostático puede calculare si se conoce la intensidad del campo eléctrico a lo largo de cualquier línea que una dichos puntos. Consideremos algunos casos especiales:

Equipotenciales.- en toda región en la cual sea E =0 en cada punto, tal como un volumen muy alejado de toda carga o el interior de un conductor cuyas cargas están en reposo, la integral curvilínea de E es nula a lo largo de cualquier trayectoria.

La diferencia de potencial entre dos arbitrarios es, por consiguiente, nula ò en otras palabras, todos los puntos de la región tienen el mismo potencial. Así, el interior de un conductor cargado es un volumen equipotencial.

Si se construye una superficie de tal modo que sea en todo punto perpendicular a un campo eléctrico, cualquier trayectoria situada sobre la superficie será ortogonal al campo. La integral curvilínea de E es nula a lo largo de una de estas trayectorias y la diferencia de potencial entre dos puntos arbitrarios de la superficie es cero. En consecuencia, todos los puntos de la superficie están al mismo potencial, y esta se denominan superficie equipotencial.

La distribución de potencial de un campo eléctrico puede representarse gráficamente construyendo superficies equipotenciales, cada una de las cuales corresponde a un valor distinto del potencial. Las líneas de fuerzas y las superficies equipotenciales son ortogonales entre si y por cada punto de un campo puede trazarse una superficie equipotencial, aunque en los diagramas se representen solo algunas de ellas.

En general, las líneas de fuerzas de un campo son curvas y las superficies equipotenciales son superficies curvas. En el caso especial de un campo uniforme, en el cual las líneas de fuerzas son rectas paralelas, las superficies equipotenciales son planos perpendiculares a aquellas.

Se ha demostrado que las líneas de fuerza del campo creado por un conductor cargado, son perpendiculares a su superficie si las cargas están en reposo. Por consiguiente, la superficie de tal conductor es equipotencial.

Las líneas de fuerza del campo creado por un conductor cargado son perpendiculares a su superficie si las cargas están en reposo. Por consiguiente, la superficie de tal conductor equipotencial.

OBJETIVOS

• Reconocer la configuración de equipotenciales y líneas de campo en la cubeta electrostática, para una configuración de electrodos.

• Representar gráficamente la dirección y sentido de un campo eléctrico uniforme y su normalidad con las equipotenciales.

• Estudiar y analizar en forma teórica practica el potencial del campo eléctrico.

• Representar gráficamente campos eléctricos, mediante líneas de fuerzas y superficies equipotenciales.

Procedimiento

Figura 1.

Fuente de voltaje

electrodo

Sol. Salina v

Sonda fija sonda móvil

• Realice el montaje indicado en la fig. 1 ( mantenga la fuente apagada).

• Llene con solución salina la cubeta hasta alcanzar una profundidad de 6mm.

• Mantengan los electrodos separados una distancia de unos 20cm y coloque la sonda fija equidistante de los electrodos.

• Prenda la fuente e introduzca en la solución la sonda móvil del voltímetro y busque las posiciones para las cuales este indique un voltaje de tres voltios, tome unos 10puntos.

• Anote en la tabla de datos el voltaje y las posiciones(x ,y) correspondientes.

• Busque con la sonda móvil un voltaje de 2.5 y repita los pasos 4 y 5.haga lo mismo para un voltaje de 2 voltios y (-3 ,-2.5 y 2 ) voltios.

• Repita los numerales 3, 4 y 5 para los otros electrodos (plano-plano, cilindro-cilindro y plano-cilindro ).

• En hojas por separado y para cada pareja de electrodos haga las graficas de las familias de líneas para las cuales obtuvo deflexiones de 3 ,2.5 , 2, -3, -2.5 ,-2 voltios.

• Grafique en base a las superficies equipotenciales las líneas de fuerza y a partir de estas determine algunos valores de EX , EY , E y  .

Preguntas

Soluciones-

1.- El concepto de energía potencial en la física la observamos relacionado con fuerzas a conservativas como la gravedad y la fuerza elástica de un resorte. Teniendo en cuenta lo anterior, y conociendo que la fuerza electrostática dada por la fuerza de Coulomb es conservativa, los fenómenos electrostáticos pueden describirse convenientemente en términos de una energía potencial. Esta idea nos permite definir una cantidad de escalar conocida como potencial eléctrico. La energía potencial por unidad de carga U/q0, siendo U la energía potencial y q0 la carga (en Coulomb) son independientes del valor del q0, y tiene un valor único en cada punto en un campo eléctrico. La cantidad U/q0 recibe el nombre de potencial eléctrico, V. Por lo tanto el valor del potencial eléctrico en cualquier punto es:

2. - El nombre de superficie equipotencial se da a cualquier superficie compuesta de una distribución continua de puntos que tienen el mismo potencial eléctrico.

3. - Entre las propiedades más importantes tenemos:

• El vector campo eléctrico E es tangente a la línea del campo eléctrico en cada punto.

• Las líneas deben empezar en carga positiva y terminar en cargas negativas, pero si la carga neta no es cero las líneas pueden empezar o terminar en el infinito.

• Él número de líneas saliendo o entrando a una carga son proporcionales a la magnitud de la carga.

• Ningún par de línea de cargas pueden tocarse o cruzarse

4. - las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a la superficie de la carga o el elemento que lo produce, por lo tanto un campo generado por una superficie equipotencial va a ser perpendicular a esto

5. - una línea de campo eléctrico tiene como característica fundamental el no poder cruzarse o tocarse con otra línea. Esto se debe a que las líneas son normales a la superficie, y estas se van a extender de forma radial si la superficie es una circunferencia o un cilindro, o de manera tangencial si la superficie es plana, por lo tanto las líneas van a extenderse hasta el infinito o hasta una carga y su proximidad va a depender de la magnitud del campo, pero jamás estas líneas se cruzaran o se tocaran.