Características del campo eléctrico

El artículo describe las principales características del campo eléctrico: potencial, voltaje e intensidad.

¿Qué es un campo eléctrico?

Para crear un campo eléctrico, es necesario crear una carga eléctrica. Las propiedades del espacio alrededor de las cargas (cuerpos cargados) difieren de las propiedades del espacio en el que no hay cargas. Al mismo tiempo, las propiedades del espacio, cuando se introduce en él una carga eléctrica, no cambian instantáneamente: el cambio parte de la carga y se propaga con cierta velocidad de un punto del espacio a otro.

En un espacio que contiene una carga, se manifiestan fuerzas mecánicas que actúan sobre otras cargas introducidas en ese espacio. Estas fuerzas no son el resultado de la acción directa de una carga sobre otra, sino de la acción a través de un medio cualitativamente modificado.

El espacio alrededor de las cargas eléctricas, en el que se manifiestan las fuerzas que actúan sobre las cargas eléctricas introducidas en él, se denomina campo eléctrico.

Una carga en un campo eléctrico se mueve en la dirección de la fuerza que actúa sobre ella desde el lado del campo.El estado de reposo de tal carga solo es posible cuando se aplica alguna fuerza externa (externa) a la carga que equilibra la fuerza del campo eléctrico.

Tan pronto como se altera el equilibrio entre la fuerza externa y la intensidad del campo, la carga vuelve a moverse. La dirección de su movimiento siempre coincide con la dirección de la fuerza mayor.

Para mayor claridad, el campo eléctrico suele representarse mediante las llamadas líneas de campo eléctrico. Estas líneas coinciden con la dirección de las fuerzas que actúan en el campo eléctrico. Al mismo tiempo, se acordó trazar tantas líneas que su número por cada 1 cm2 del área instalada perpendicular a las líneas fuera proporcional a la fuerza del campo en el punto correspondiente.

La dirección del campo generalmente se toma como la dirección de la intensidad del campo que actúa sobre una carga positiva colocada en un campo dado. Las cargas positivas son repelidas por las cargas positivas y atraídas por las negativas. Por lo tanto, el campo está dirigido de cargas positivas a negativas.

La dirección de las líneas de fuerza se indica en los dibujos mediante flechas. La ciencia ha comprobado que las líneas de fuerza de un campo eléctrico tienen un principio y un final, es decir, no se cierran por sí mismas. Con base en la supuesta dirección del campo, encontramos que las líneas de fuerza comienzan con cargas positivas (cuerpos cargados positivamente) y terminan con cargas negativas.

Arroz. 1. Ejemplos de una imagen de un campo eléctrico usando líneas de fuerza: a — un campo eléctrico con una sola carga positiva, b — un campo eléctrico con una sola carga negativa, c — un campo eléctrico de dos cargas opuestas, d — un campo electrico de dos cargas iguales

En la Fig.1 muestra ejemplos de un campo eléctrico representado usando líneas de fuerza. Debe recordarse que las líneas de campo eléctrico son solo una forma de representar gráficamente un campo. No hay mayor sustancia para el concepto de línea de fuerza aquí.

ley de Coulomb

La fuerza de la interacción entre dos cargas depende del tamaño y la disposición mutua de las cargas, así como de las propiedades físicas de su entorno.

Para dos cuerpos físicos electrificados, cuyas dimensiones son insignificantes en comparación con la distancia entre los cuerpos, la curación de la interacción se determina matemáticamente de la siguiente manera:

donde F es la fuerza de interacción de las cargas en newtons (N), k — distancia entre cargas en metros (m), Q1 y Q2 — magnitud de las cargas eléctricas en coulombs (k), k es el coeficiente de proporcionalidad, cuyo valor depende de las propiedades del medio que rodea las cargas.

La fórmula anterior dice así: la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las magnitudes de estas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas (ley de Coulomb).

Para determinar el factor de proporcionalidad k, utilice la expresión k = 1 /(4πεεО).

potencial de campo eléctrico

Un campo eléctrico siempre imparte movimiento a una carga si las fuerzas de campo que actúan sobre la carga no están equilibradas por ninguna fuerza externa. Esto implica que el campo eléctrico tiene energía potencial, es decir, la capacidad de realizar trabajo.

Al mover una carga de un punto del espacio a otro, el campo eléctrico realiza trabajo, como resultado de lo cual disminuye el suministro de energía potencial al campo.Si una carga se mueve en un campo eléctrico bajo la acción de alguna fuerza externa que actúa de manera opuesta a las fuerzas del campo, entonces el trabajo no lo realizan las fuerzas del campo eléctrico, sino las fuerzas externas. En este caso, la energía potencial del campo no solo no disminuye, sino que, por el contrario, aumenta.

El trabajo realizado por una fuerza externa que mueve una carga en un campo eléctrico es proporcional a la magnitud de las fuerzas de campo que se oponen a ese movimiento. El trabajo realizado en este caso por fuerzas externas se gasta por completo en aumentar la energía potencial del campo. Para caracterizar el campo desde el lado de su energía potencial, se llama una cantidad llamada potencial de campo eléctrico.

La esencia de esta cantidad es la siguiente. Suponga que la carga positiva está fuera del campo eléctrico bajo consideración. Esto significa que el campo prácticamente no tiene efecto sobre la carga dada. Permita que una fuerza externa introduzca esta carga en el campo eléctrico y, venciendo la resistencia al movimiento ejercida por las fuerzas del campo, mueva la carga a un punto dado en el campo. El trabajo realizado por la fuerza y, por tanto, la cantidad en que ha aumentado la energía potencial del campo, depende enteramente de las propiedades del campo. Por lo tanto, este trabajo puede caracterizar la energía de un campo eléctrico dado.

La energía del campo eléctrico relacionada con una unidad de carga positiva colocada en un punto dado del campo se denomina potencial de campo en un punto dado.

Si el potencial se denota con la letra φ, la carga con la letra q y el trabajo invertido en mover la carga con W, entonces el potencial de campo en un punto dado se expresará mediante la fórmula φ = W / q.

De ello se deduce que el potencial del campo eléctrico en un punto dado es numéricamente igual al trabajo realizado por una fuerza externa cuando una unidad de carga positiva sale del campo hacia un punto dado. El potencial de campo se mide en voltios (V). Si durante la transferencia de un culombio de electricidad fuera del campo a un punto dado, las fuerzas externas han realizado un trabajo igual a un julio, entonces el potencial en un punto dado del campo es igual a un voltio: 1 voltio = 1 julio / 1 culombio

Fuerza de campo eléctrico

En cualquier campo eléctrico, las cargas positivas se mueven desde puntos de mayor potencial a puntos de menor potencial. Por el contrario, las cargas negativas se mueven de puntos de menor potencial a puntos de mayor potencial. En ambos casos, el trabajo se realiza a expensas de la energía potencial del campo eléctrico.

Si conocemos este trabajo, es decir, la cantidad en que ha disminuido la energía potencial del campo cuando la carga positiva q se mueve del punto 1 del campo al punto 2, entonces es fácil encontrar el voltaje entre estos puntos del campo. campo U1,2:

U1,2 = A / q,

donde A es el trabajo realizado por las fuerzas de campo cuando la carga q se transfiere del punto 1 al punto 2. El voltaje entre dos puntos en el campo eléctrico es numéricamente igual al trabajo realizado por cero para transferir una unidad de carga positiva desde un punto en el campo a otro.

Como se puede observar, el voltaje entre dos puntos del campo y la diferencia de potencial entre los mismos puntos representan la misma unidad física… Por lo tanto, los términos voltaje y diferencia de potencial son lo mismo. El voltaje se mide en voltios (V).

El voltaje entre dos puntos es igual a un voltio si, al transferir un culombio de electricidad de un punto del campo a otro, las fuerzas de campo realizan un trabajo igual a un julio: 1 voltio = 1 julio / 1 culombio

Fuerza de campo eléctrico

De la ley de Coulomb se deduce que la intensidad del campo eléctrico de una carga dada que actúa sobre otra carga colocada en este campo no es la misma en todos los puntos del campo. El campo eléctrico en cualquier punto se puede caracterizar por la magnitud de la fuerza con la que actúa sobre una unidad de carga positiva colocada en un punto dado.

Conociendo este valor, se puede determinar la fuerza F que actúa sobre cada carga Q. Se puede escribir que F = Q x E, donde F es la fuerza que actúa sobre la carga Q colocada en un punto del campo por el campo eléctrico, E es la fuerza que actúa sobre una unidad de carga positiva colocada en el mismo punto del campo. La cantidad E numéricamente igual a la fuerza experimentada por una unidad de carga positiva en un punto dado del campo se denomina intensidad de campo eléctrico.