Campo eléctrico

Comúnmente se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. En el caso de la carga eléctrica es posible describir su influencia sobre otras definiendo el campo eléctrico como la fuerza eléctrica por unidad de carga (positiva). El campo eléctrico (E) que existe en un punto es la fuerza electrostática experimentada por una carga eléctrica colocada en ese punto y dividida entre la misma.

El campo puede representarse por las llamadas líneas de campo eléctrico, o líneas de fuerza, las cuales propuestas originlamente por el físico inglés Michael Faraday. Estas líneas proporcionan información sobre la dirección e intensidad del campo eléctrico.

Ejemplo:

Una pequeña pelota tiene una masa de 0.012 kg y una carga eléctrica de -18 uC.

Determina la magnitud del campo eléctrico necesario para hacer que la pelota flote.

Solución:

Considerando que la fuerza que se le aplica a la pelota la podemos determinar a partir de la segunda Ley de Newton (F= ma), donde la aceleración es el valor de la gravedad, tenemos que:

E= mg = (0.012 kg) (9.81 m/s al 2) = 6.5 x 10 a la -3 N/C

      q0
    

En esta imagen se muestra una carga puntual negativa. Las líneas están dirigidas hacia dentro, lo que significa que la fuerza es de atracción, y que el campo eléctrico apunta hacia adentro.




NOTA: Según menciona Cutnell. "Las líneas de campo eléctrico siempre están dirigidas hacia afuera de las cargas positivas y hacia adentro de las negativas". 

Las líneas de campo eléctrico no siempre son rectas. Hay casos en los que existen dos cargas eléctricamente diferentes, y otros son eléctricamente iguales.

En este caso existen dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos opuestos, y las líneas de fuerza son curvas. se observa que las líneas de campo eléctrico empiezn en una carga positiva y terminan en una carga negativa. A este arreglo se le conoce como:
"Dipolo Eléctrico"
                                                                                                                           

Este caso es contrario al anterior, muestra que para dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos (positiva), las líneas de campo eléctrico también son curvas; sin  embargo, el campo eléctrico en la región más cercana a ambas cargas es relativamente débil.




Potencial eléctrico

Al trasladar una carga entre dos puntos A y B de un campo eléctrico, en sentido contrario a las líneas de fuerza y a velocidad constante, ésta realizará un trabajo para contrarrestar la fuerza que recibe. Este trabajo depende de la magnitud de la carga y es igual a la diferencia de energía potencial que existe entre ambos puntos, es decir, WAB = EPA - EP8'.

Esta energía se define como potencial eléctrico es el Coulomb/joule o Volt, en honor del físico italiano Alejandro Volta. El potencial eléctrico es una energía por unidad de carga eléctrica y no es lo mismo que la energía potencial eléctrica ya que ésta, al ser un tipo de energía, se mide en Joules (J)

Ejemplo:

El potencial eléctrico en el punto A respecto al punto B es VA - V8  = 95 V1 mientras que el potencial del punto C con respecto al punto B es VC - V8 = 23 V0 Calcula el trabajo necesario para mover una carga de 45 uC de C a A.

Solución:

Calculando el trabajo que existe entre A y B:
 WAB (VA - V8)q0 = 95 V (45 x 10 a la -6 C) = 4.275 mJ.
Calculando el trabajo que existe entre C y B:
 WCB = (VC - V8)q0 = 23 V (45 x 10 a la -6 C) = 1.035 mJ.
Considerando que la carga se moverá desde el punto C hasta A, tenemos:
 WCA = WAB -WCB = 4.275 x 10 a la -3 J - 1.035 x 10 a la -3 J = 3.24 mJ.


Corriente eléctrica

Sabemos que todo campo eléctrico ejerce una fuerza sobre los electrones libres de un conductor, provocando que éstos se muevan. A este flujo de la carga eléctrica se le denomina corriente eléctrica, y se define como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección transversal de un conductor por unidad de tiempo:

I = q
       t

En el sistema internacional, la corriente eléctrica se mide en Coulomb/segundo, unidad que se denomina Ampere (A), en honor del físico francés André-Marie Ampere. Cuando la corriente eléctrica pasa a través del conductor se producen algunos efectos, por ejmplo: la temperatura del conductor aumenta y se genera un campo magnético alrededor de él.

A manera de anlogía, podemos decir que la corriente eléctrica se comporta como un fluido, en el sentido de que, si consideramos el conductor una tubería, la corriente que fluiría a través de ésta sería el agua.

Ejemplo:

Un desfibrilador es un aparato que se utiliza durante un paro cardiaco para inducir una corriente eléctrica al corazón y normalizar su pulso. Este aparato aplica una corriente de 18 A durante 2 milisegundos al torso de una persona.
Determina la cantidad de carga eléctrica que fluye en este periodo.

Solucion:

Aplicando la siguiente ecuacion determinaremos la cantidad de carga: VA = kqA y V8 = kq8   
                                                                                                                   rA                   r8
entonces tenemos:

q = It = (18 A) (2 x 10 a la -3 s) = 3.6 x 10 a la -2 C


Resistencia eléctrica y Ley de Ohm

Como en una tubería de agua, el área de sección transversal y la longitud determinan la resistencia que ofrece al flujo del líquido, en el caso de la corriente eléctrica sucede algo similar, la resistencia de un material dpende de su resistividad, su longitud y su área de sección transversal:

 R= p L

          A

Así, la resistividad es una propiedad de los materiales, la cual dtermina la facilidad que representan para permitir el flujo de la corriente eléctrica. La resistencia de un material se mide en Ohms en honor al físico alemán Georg Simón Ohm.

Los valores de resistividad en los conductores, como los metales, son muy pequeños; sin embargo, en los materiales como el hule, la porcelana o el teflón, son grandes. La resistencia, por lo tanto, no sólo depende de la resistividad del material, sino de su forma.



Ley de Ohm



Continuando con la analogía hidráulica, para que fluya líquido por una tubería que une dos depósitos de agua, es necesario que exista una diferencia de niveles entre el agua de los depósitos . De la misma forma, para que pase de una corriente eléctrica por el alambre es necesario que exista una diferencia de potencial (voltaje). Por lo tanto, la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor, tal como lo enuncia la Ley de Ohm:

I= V

     R

Estas ecuación muestra que si la resistencia del conductor se pued considerar constante, el valor de la corriente aumentará cada vez que el voltaje aumente y viceversa.

Circuitos eléctricos resistivos en serie, paralelo y mixto

 

Los circuitos eléctricos son representaciones gráficas de elementos conectados entre sí para formar una trayectoria por la cual circula una corriente eléctrica, en la que la fuente de energía y el dispositivo consumidor de nergía están conectados por medio de cables conductores, a través de los cuales circula la carga.

En los circuitos se utilizan muchos tipos de fuentes de nergía eléctrica, de las cuales la más común es la batería o pila. En una batería ocurre una reacción química que proporciona la energía necesaria para separar las cargas eléctricas en las terminales positiva y negativa. Si un conductor se conecta a las terminales de una batería, pasará una corriente a través de él.



En esta imagen se muestran las representaciones gráficas de distintos objetos.



Circuito en serie

La corriente eléctrica en un circuito eléctrico en seire es la misma en todos sus elementos. El voltaje total del circuito proporciona la fuente de poder, será igual a la sumatoria de todos los voltajes individuales de los elementos que componen el circuito.

Circuito en paralelo

El voltaje en un circuito en paralelo es el mismo en todos sus elementos. La corriente eléctrica total de un circuito será igual a la sumatoria de todas las corrientes individuales de los elementos que lo componen. La resistencia equivalente en un circuito eléctrico en paralelo es igual al inverso de la suma algebraica de los inversos de las resistencias que lo integran, y su valor siempre será menor que cualquiera de las resistencias existentes en el circuito.


Potencia eléctrica y el efecto Joule

Como ya se mencionó, la diferencia de potencial entre dos puntos es igual a

AV= WAB

                     q0

Recordemos que en el bloque 4 del curso de Física I se estableció que la potencia es la relación existente entre el trabajo efectuado por unidad de tiempo, es decir,

P= W

     t

Debido a que la corriente eléctrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de tiempo (I= q), podemos expresar la potencia eléctrica en relación a la diferencia de potencial

                    t

y la corriente, por lo tanto:

P= VI

Ahora, al aplicar la Ley de Ohm a la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:

P= I a la 2 R = V a la 2

                               R

Al igual que la potencia mecánica, la potencia eléctrica se mide en Watts, considerando que la energía eléctrica es el producto de la potencia por el tiempo, Comisión Federal  de Electricidad (CFE) calcula el costo de ea energía a partir de la potencia en kilowatts y el tiempo en horas, es decir, en kilowatt-horas (kWh); el cual equivale a 3.6 x 10 a la 6 J de energía.

Instrumentos eléctricos de medición

El voltaje y la corriente eléctrica pueden ser medidos con instrumentos denominados voltímetros y amperímetros, respectivamente. Se pueden encontrar tanto digitales como análogos, en los cuales el dispositivo principal de su funcionamiento es el galvanómetro.

El amperimetro es un dispositivo para medir la corriente eléctrica y debe conectarse en el circuito de manera tal que la corriente pase directamente a través de él, es decir, en serie. Por su parte, el voltímetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B, en un circuito, y debe conectarse entre estos puntos, es decir, en paralelo, y no debe insertarse como un amperímetro.

Un amperímetro ideal debe tener una resistencia muy pequeña debido a que se conecta en serie con el circuito y es necesario que no afecte el valor de la medición. De la misma manera, un voltímetro debe tener una resistencia muy alta para que no se produzca un aumento de corriente y modifique el valor del voltaje.



El campo magnético sale del
 polo norte y entra al polo sur.