Líneas De Campo Eléctrico, Características Y 5 Ejemplos

Las definiciones de las líneas de campo eléctrico son muchas, pero como lo dice su nombre son simplemente líneas que van de un punto a otro, en las cuales se indica con una flecha la dirección del campo eléctrico, esta dirección depende de muchas cosas, como el tipo de carga y configuración que se presente entre estas, por ejemplo:

En la figura 1 tenemos básicamente los dos tipos de cargas puntuales más importantes a considerar para adentrarnos en este estudio, del lado derecho de la imagen tenemos una carga eléctrica puntual negativa de valor "q(-)", por lo tanto las líneas de campo eléctrico van desde afuera (desde el infinito) hacia la carga, en esta ocasión se dice que el campo eléctrico va hacia la carga y en el lado izquierdo de la imagen tenemos a una carga eléctrica puntual positiva de valor "q(+)", por lo tanto las líneas de campo eléctrico van desde la carga misma “q(+)” hacia afuera (hacia el infinito).

En esta ocasión decimos que el campo eléctrico va hacia afuera, en la misma dirección de las líneas de campo eléctrico, mencionamos el infinito porque con esto queremos dejar claro que las líneas de campo eléctrico no tienen fin, esto ocurre en estos casos en donde se estudia la distribución de las líneas de campo eléctrico en una carga solamente, ya se verá más adelante que pasa si hay más de una carga en el estudio y que no todas las líneas de campo eléctrico parten o llegan al infinito.

Es importante tener claro que a medida que las líneas de campo eléctrico se alejan de la fuente el campo eléctrico es menor, es decir, la concentración de líneas de campo disminuye a medida que aumenta la distancia a la fuente que las genera, por ejemplo:

En la figura 2 el campo eléctrico en q1 es mayor que en q2 y en q2 es mayor que en q3, por consiguiente, el campo eléctrico es mayor en q1 porque está más cerca de la carga “+q” y el campo eléctrico en q3 es el que tiene menor valor porque es la carga que está más alejada de la carga “+q”, esto quiere decir que debido a que está más alejada es la que menos percibe las líneas de campo eléctrico de la carga “+q” y por eso el campo eléctrico en q3 es menor.

Campo eléctrico de una carga puntual

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El campo eléctrico se puede obtener con la siguiente ecuación:

                                                                                                                 (1)
donde:

: Es el campo eléctrico de la carga;

q: Es la carga puntual que genera el campo eléctrico;

: Es la distancia que hay entre la carga que genera el campo y el punto donde se desea conocer;

: Es el vector unitario que va en la misma dirección de la línea que une la carga que genera el campo eléctrico y el punto donde se desea conocer, ;

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: Es la permitividad del vacío y su valor es aproximadamente ;

k: Es la constante de proporcionalidad y su valor es aproximadamente  ;

Con la ecuación (1) observamos que el factor está en el denominador, esto quiere decir, como ya se ha dicho, que a medida que aumenta la distancia, el campo eléctrico disminuye y de esta manera se comprueba lo analizado en la figura 2.

Características de las líneas de campo eléctrico

• No se pueden ver a simple vista.
• La carga es abrazada completamente en todo su espacio tridimensional por las líneas.
• Tiene módulo, dirección y sentido, es decir, es un vector.
• Son causadas por cargas que se conocen como la fuente del campo o de estas líneas.
• En una fuente con carga positiva las líneas de campo eléctrico van hacia afuera de la misma.
• En una fuente con carga negativa las líneas de campo van hacia dicha carga.
• A medida que aumenta la distancia o se aleja de la fuente el campo eléctrico es menor ya que la concentración de las líneas de campo en el espacio disminuye.
• Las líneas de campo eléctrico no se cruzan.
• El vector campo eléctrico va en la misma dirección de la línea que une el punto donde se genera y el punto donde se desea calcular.

Ejemplos

1) Comportamiento del campo eléctrico entre dos cargas positivas

En la figura 4, tenemos la distribución de las líneas de campo eléctrico cuando hay dos cargas positivas, como ya se sabe por ser positivas las líneas de campo eléctrico van hacia afuera, pero también se puede notar que en la zona más cercana entre las cargas hay una distribución especial de las líneas de campo, esto es así, debido a que recordemos que las líneas de campo eléctrico no se cruzan y por eso toman esa forma.

2) Comportamiento de las líneas de campo eléctrico entre dos cargas negativas.

En la figura 5 de la misma manera que en la figura 4, en la zona más cercana entre las cargas las líneas de campo eléctrico no se cruzan y por eso la distribución es de esa manera, a diferencia de que en este caso las líneas de campo van hacia la carga (entrando).

3) Dipolo Eléctrico

Aquí llegó el momento de explicar qué ocurre con las líneas de campo eléctrico cuando hay dos cargas de signo diferente y de igual magnitud, en la imagen anterior del lado izquierdo tenemos una carga positiva “+”, por lo tanto las líneas de campo eléctrico van hacia afuera y en el lado derecho tenemos una carga negativa “-”, de modo contrario las líneas de campo eléctrico van hacia adentro, podemos observar que en el sitio donde las cargas están más cercanas, las líneas de campo eléctrico salen o parten de la carga positiva “+” y entran o terminan en la carga negativa “-”.

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Aquí observamos lo que mencionamos anteriormente cuando dijimos que no todas las líneas de campo eléctrico parten o terminan en el infinito, esto quiere decir, que las líneas de campo eléctrico de la carga positiva y de la carga negativa se unen en esa zona, partiendo de una carga (+) y terminando en otra (-), en este caso a la distribución de las líneas de campo eléctrico se le conoce como dipolo eléctrico, esto sí y solo si, tanto la carga positiva “+” y la carga negativa “-” tienen el mismo valor y son de signo contrario como aquí se presentan, siendo también cercanas entre sí.

4) Campo creado por varias cargas puntuales

En la siguiente imagen, se desea calcular el campo eléctrico total en el punto A que producen las tres cargas q1, q2 y q3, por lo tanto, se tienen tres campos eléctricos , y  debido a cada carga respectivamente.

Del mismo modo se deduce:

: Es el campo eléctrico en el punto A debido a la carga q1;

: Es el campo eléctrico en el punto A debido a la carga q2;

: Es el campo eléctrico en el punto A debido a la carga q3;

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Note que cada vector de campo eléctrico tiene una orientación diferente y va en la misma dirección de la línea que une la carga respectiva “q” que genera su propio campo y el punto A (donde se desea conocer el valor del campo eléctrico debido a esta carga).

En consecuencia, el campo eléctrico total en el punto A debido a las tres cargas q1, q2 y q3 sería , en otras palabras, el campo eléctrico total en el punto “A” debido a las cargas q1, q2 y q3 es la suma vectorial de los respectivos campos eléctricos que generan las tres cargas antes mencionadas y se puede observar su suma vectorial en la figura 7, dando como resultado al campo eléctrico total.

5) Determine el campo eléctrico que ejerce la carga “q” en el punto A, con los datos que se muestran en la siguiente imagen.

Utilizando la ecuación (1) para calcular el campo eléctrico de una carga puntual “q” dada anteriormente, tenemos:

;

Lo primero que haremos será calcular el vector unitario, los dos puntos que necesitamos para hacer este cálculo son:

• El punto donde está ubicada la carga que genera el campo, en este caso (1,2).
• El punto donde se quiere calcular el campo eléctrico, en este caso (4,5).

Por lo tanto, el vector unitario sería:

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Cálculo de :

Cálculo de :

Entonces el vector unitario sería:

Entonces,

Como resultado el campo eléctrico sería:

Por lo tanto la carga “q” de valor 8 nC ubicada en el punto (1,2) ejerce en el punto A(4,5) un campo eléctrico que tiene como magnitud  , esto quiere decir que la carga “q” ejercerá una fuerza de 4 N en cada carga que tenga como valor 1 C ubicada en el punto A.