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EM-03 · Campo de electrostática

El campo eléctrico

Una carga crea en el espacio que la rodea un campo vectorial, el campo eléctrico. Compruebas que cada flecha es la fuerza que sentiría allí una carga positiva unitaria, y que esa fuerza se debilita con el cuadrado de la distancia.

Cambia la distancia y el signo, y lee el campo

La bola del centro es la carga fuente, y las flechas que la rodean son el campo eléctrico que crea. Al acercar o alejar la carga de prueba con el deslizador cambia la longitud de la flecha dorada de fuerza, y al pulsar un botón de signo todas las flechas invierten su dirección a la vez.

Los botones cambian el signo de la carga fuente.
Distancia r a la carga de pruebar = 1.60
Arrastra para girar; el deslizador fija la distancia y los botones, el signo de la carga.
El campo E en este punto
Hacia afuera (alejándose de la carga)
E = kQ/r² r̂ · radial, decae como 1/r²
F = qE · la fuerza sobre una carga de prueba q
Intensidad relativa del campo · 47%
Cerca · campo fuerte ·

El campo eléctrico: el mapa de fuerza de una carga

Cuando hay una sola carga, cada punto a su alrededor recibe una flecha que dice cuánta fuerza sentiría una carga positiva unitaria colocada allí. El conjunto de esas flechas es el campo eléctrico E. Haya o no una carga de prueba de verdad, el campo ya está extendido alrededor de la carga. Se supone que la carga de prueba es tan pequeña que no perturba a la fuente. Por eso el campo eléctrico se define como la fuerza dividida entre la carga de prueba, E = F/q.

El campo de una carga puntual: radial, 1/r²

El campo eléctrico de una carga puntual Q se extiende igual en todas direcciones, y su magnitud es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En fórmula, E = kQ/r², en la dirección del vector unitario radial r̂. Apunta hacia fuera para una carga positiva y hacia dentro para una negativa. Esta inversa del cuadrado se debe a que el campo que sale de la carga se reparte por igual sobre una esfera cuya área crece con el cuadrado de la distancia. La constante k vale 1/(4πε₀).

ObservaE = k Qr² r̂
El campo de una carga puntual es proporcional a la carga Q e inversamente proporcional a r², el cuadrado de la distancia.

La fuerza viene del campo: F = qE

Una carga q colocada en un campo eléctrico siente la fuerza F = qE, la flecha del campo multiplicada por la cantidad de carga. Lo importante es que el campo eléctrico E no depende de la carga de prueba q. Al duplicar q, el E de ese punto no cambia y solo se duplica la fuerza. Una carga negativa siente una fuerza opuesta al campo. El campo eléctrico es una propiedad de la carga fuente que lo creó.

EligeF = ?
La fuerza es la carga por el campo eléctrico.

Dirección y suma

Las flechas del campo eléctrico salen de las cargas positivas y entran en las negativas. Con varias cargas, se suman como vectores las flechas que crea cada una para obtener el campo en un punto; eso es la superposición. Cuando la carga está repartida en una línea, una superficie o un volumen, esta suma se vuelve una integral, y esa integral es el tema de la próxima unidad.

Completa|E| ∝ ?
Si la distancia se duplica, el campo se reduce a la cuarta parte.
Por tu cuentaE = ? r̂
La constante k vale 1/(4πε₀).

De vuelta a la primera pantalla

Al acercar la carga de prueba con el deslizador, la flecha de fuerza se alargó con rapidez. Como el campo va como 1/r², al reducir la distancia a la mitad el campo se cuadruplica, y la intensidad relativa del indicador se movió en la misma proporción. Al pulsar el botón de signo, todas las flechas se invirtieron a la vez: la dirección sigue el signo de la carga fuente. Y pusieras donde pusieras la carga de prueba, las flechas del campo de fondo no cambiaban, porque el campo eléctrico no pertenece a la carga que se coloca allí sino a la carga que lo crea.

El campo eléctrico E es un campo vectorial que una carga crea en el espacio que la rodea. La flecha en un punto es igual a la fuerza que sentiría una carga positiva unitaria colocada allí (E = F/q). Para una carga puntual Q, E = kQ/r² r̂ se extiende en dirección radial y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. La fuerza sobre una carga q es F = qE.
El camino que sigue

El campo eléctrico es el protagonista de la electrostática, y desde aquí se abre en dos caminos. Cuando la carga está repartida en una línea, una superficie o un volumen, se integra el dE de cada trozo pequeño para obtener el campo total (EM-04). Y al contar cuánto de este campo atraviesa una superficie cerrada se llega al flujo y la divergencia (EM-05) y a la ley de Gauss (EM-06).