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Diaposiivas campo eléctrico
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rodrigoalcarazdelaosa committed Jul 30, 2024
1 parent 6b1b911 commit 71135b2
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Expand Up @@ -130,7 +130,7 @@ Es una teoría que explica la interacción entre cargas eléctricas, suponiendo

### Carga eléctrica

Se define como una magnitud física que describe el grado de electrización de un cuerpo y que da lugar a una interacción a distancia distinta a la gravitatoria y más fuerte que esta. Su unidad en el SI es el culombio (C).
Se define como una magnitud física que describe el grado de electrización de un cuerpo y que da lugar a una interacción a distancia distinta y más fuerte que la gravitatoria. Su **unidad** en el **SI** es el **culombio (C)**.

### Tipos de cargas eléctricas

Expand All @@ -142,16 +142,15 @@ Existen dos tipos: positiva y negativa. Sucede que:
### Principios fundamentales de la carga
La carga eléctrica cumple dos principios fundamentales:

Principio de conservación
: La carga neta de un sistema aislado no se crea ni se destruye, solo se transfiere.
#### Principio de conservación
La carga neta de un sistema aislado no se crea ni se destruye, solo se transfiere.

Principio de cuantización
: La carga eléctrica está cuantizada. Solo puede tomar valores que sean un múltiplo de la [carga del electrón](https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_eléctrica#Carga_eléctrica_elemental), $e \approx 1.6\times10^{-19}\,\mathrm C$:
#### Principio de cuantización
La carga eléctrica está cuantizada. Solo puede tomar valores que sean un múltiplo de la [carga del electrón](https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_eléctrica#Carga_eléctrica_elemental), $e \approx 1.6\times10^{-19}\,\mathrm C$:
$$
q = ne, \text{ con }n = \pm 1,\pm 2,\pm 3,\dots
$$


## La fuerza eléctrica: ley de Coulomb

La [**ley de Coulomb**](https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb) afirma:
Expand All @@ -160,9 +159,9 @@ La [**ley de Coulomb**](https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb) afirma:
$$
\vec F_\mathrm e = k\frac{q_1q_2}{r^2}\hat{\mathrm r}\quad\text{Unidad en el SI: N (newton)}
$$
donde $\hat{\mathrm r}$ es el vector unitario que va de $q_1$ a $q_2$ y $k=1/\left(4\pi\varepsilon\right)\left(\approx 9\times 10^9\,\mathrm{N}\,\mathrm{m^2}\,\mathrm{C^{-2}}\text{ en el vacío}\right)$ es la constante de Coulomb, siendo $\varepsilon$ la permitividad eléctrica o constante dieléctrica del medio[^1].
donde $\hat{\mathrm r}$ es el vector unitario que va de $q_1$ a $q_2$ y $k=1/\left(4\pi\varepsilon\right)\left(\approx 9\times 10^9\,\mathrm{N}\,\mathrm{m^2}\,\mathrm{C^{-2}}\text{ en el vacío}\right)$ es la constante de Coulomb, siendo $\varepsilon$ la permitividad eléctrica del medio$\left(\approx 8.85\times 10^{-12}\,\mathrm{C^2}\,\mathrm{N^{-1}}\,\mathrm{m^{-2}}\text{ en el vacío}\right)$[^1].

[^1]: En [esta **tabla**](https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_dieléctrica#Constante_dieléctrica_para_diferentes_materiales) puedes consultar los **valores** de la **constante dieléctrica** para **diferentes materiales**.
[^1]: En [esta **tabla**](https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_dieléctrica#Constante_dieléctrica_para_diferentes_materiales) puedes consultar los **valores** de la **permitividad eléctrica relativa** o **constante dieléctrica** para **diferentes materiales**.

{{< spoiler text="Pincha aquí si quieres **saber más** sobre la **medida experimental** de $k$" >}}
La constante $k$ fue determinada experimentalmente por el propio [Coulomb](https://es.wikipedia.org/wiki/Charles-Augustin_de_Coulomb). Para ello, empleó una [balanza de torsión](https://es.wikipedia.org/wiki/Balanza_de_torsión):
Expand All @@ -173,7 +172,6 @@ La constante $k$ fue determinada experimentalmente por el propio [Coulomb](https

{{< figure library="true" src="campo-electrico-2Bach-fisica/ley-coulomb.svg" title="**Ley de Coulomb**. Cumple el [principio de acción-reacción](https://fisiquimicamente.com/recursos-fisica-quimica/apuntes/4eso/fuerzas/#3ª-ley-ley-de-la-acción-reacción): $\vec F_{21}=-\vec F_{12}$. Adaptada de https://tikz.net/coulomb_force/." width="100%" lightbox="false" >}}


Cumple también el [**principio de superposición**](https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_superposición), por lo que en una distribución de cargas puntuales:
$$
\vec F_\mathrm t = \sum_i \vec F_i
Expand Down Expand Up @@ -241,7 +239,7 @@ A diferencia de lo que ocurre con el potencial gravitatorio, el potencial eléct

### Energía potencial eléctrica

La [energía potencial eléctrica](https://es.wikipedia.org/wiki/Energía_potencial_electrostática), $E_\mathrm p$, es la energía que adquiere una carga $q$ dentro de un campo eléctrico $\vec E$. Se define como el trabajo que debe realizar una fuerza para traer una carga positiva desde el infinito (donde $E_\mathrm p=0$ por convenio) hasta un punto P, a velocidad constante:
La [**energía potencial eléctrica**](https://es.wikipedia.org/wiki/Energía_potencial_electrostática), $E_\mathrm p$, es la energía que adquiere una carga $q$ dentro de un campo eléctrico $\vec E$. Se define como el trabajo que debe realizar una fuerza para traer una carga positiva desde el infinito (donde $E_\mathrm p=0$ por convenio) hasta un punto P, a velocidad constante:
$$
E_\mathrm p = W_{\infty\rightarrow \mathrm P} = \int_\infty^\mathrm P \vec F\cdot \mathrm d \vec r = \int_\infty^\mathrm P -\frac{kQq}{r^2}\,\mathrm d r = \frac{kQq}{r}
$$
Expand Down Expand Up @@ -313,11 +311,11 @@ Aprende más sobre cargas y campos con esta excelente **simulación**:

## Campo eléctrico generado por una distribución continua de carga

Hasta ahora hemos considerado el campo eléctrico creado por cargas puntuales. Podemos aproximar que una carga es puntual cuando su tamaño es despreciable frente a la distancia donde se está considerando el campo. Cuando las dimensiones no son despreciables frente a la distancia, resulta necesario considerar la geometría y las características del cuerpo con carga y en ese caso el campo eléctrico se calcula aplicando el [**teorema de Gauss**](https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Gauss). Antes de enunciar el teorema hay que definir el [**flujo eléctrico**](https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_eléctrico):
Hasta ahora hemos considerado el campo eléctrico creado por cargas puntuales. Podemos aproximar que una carga es puntual cuando su tamaño es despreciable frente a la distancia donde se está considerando el campo. Cuando las dimensiones no son despreciables frente a la distancia, resulta necesario considerar la geometría y las características del cuerpo con carga y en ese caso el campo eléctrico se calcula aplicando el [**teorema de Gauss**](#teorema-de-gauss). Antes de enunciar el teorema hay que definir el [**flujo eléctrico**](https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_eléctrico):
$$
\symup\Phi = \oint_S \vec E \cdot \mathrm d \vec S\quad \left(\symup\Phi = ES\cos\theta\text{ si $\vec E$ es constante}\right)
$$
como el número de líneas de campo que atraviesa la superficie $S$. $\mathrm d \vec S$ es el vector de área normal a la superficie (dirigido hacia fuera). La unidad de $\symup\Phi$ en el SI es el voltio metro (V&thinsp;m), equivalente a <span style="white-space: nowrap">N&thinsp;m^2^&thinsp;C<sup>–1</sup></span>.
como el número de líneas de campo que atraviesa la superficie $S$. $\mathrm d \vec S$ es el vector de área normal a la superficie (dirigido hacia fuera). La **unidad** de $\symup\Phi$ en el **SI** es el **voltio metro** (V&thinsp;m), equivalente a <span style="white-space: nowrap">N&thinsp;m^2^&thinsp;C<sup>–1</sup></span>.

### Teorema de Gauss

Expand Down Expand Up @@ -348,9 +346,11 @@ Se trata de un dispositivo formado por dos láminas plano-paralelas muy próxima
{{< figure library="true" src="campo-electrico-2Bach-fisica/condensador.svg" title="Se escoge una superficie de Gauss cilíndrica con su eje perpendicular a las placas. Adaptada de https://tikz.net/electric_field_plane/." width="100%" lightbox="false" >}}

En el interior del condensador, ambas placas generan $\vec E$ de igual módulo, dirección y sentido, porque sus cargas son opuestas, reforzándose. El campo total en el interior del condensador es uniforme y su módulo es la suma de ambos campos. Así:
{{< math >}}
$$
E_\mathrm t = 2E = \frac{\sigma}{\varepsilon}\text{ (constante dentro del condensador, $\perp$ a las placas y sentido de $+$ a $-$)}
$$
{{< /math >}}

{{< figure library="true" src="campo-electrico-2Bach-fisica/condensador-lineas-campo.svg" title="Adaptada de https://tikz.net/capacitors/." width="100%" lightbox="false" >}}

Expand Down Expand Up @@ -414,9 +414,11 @@ donde $q$ se introduce con su signo.
### Conservación de la energía mecánica

En este tipo de problemas también es necesario tener en cuenta que la **energía mecánica se conserva**. Del [**teorema de las fuerzas vivas**](https://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_la_energía_cinética), $W_{1\rightarrow 2} = \symup\Delta E_\mathrm c$, pero también $W_{1\rightarrow 2} = -\symup\Delta E_\mathrm p$, por lo que:
{{< math >}}
$$
\begin{aligned}
\symup\Delta E_\mathrm c & = -\symup\Delta E_\mathrm p\Rightarrow \symup\Delta E_\mathrm c + \symup\Delta E_\mathrm p = 0 \Rightarrow \symup\Delta E = 0 \\
\symup\Delta E_\mathrm c & = -q\symup\Delta V\ \left(\left|\symup\Delta E_\mathrm c\right| = \left|q\right|Ed\text{ en un condensador plano}\right)
\end{aligned}
$$
$$
{{< /math >}}
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