Campos eléctricos
Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN
Un campo eléctrico es…
1. visualizar las lineas de campo eléctrico
- Obtener un generador electrostático (como una mano Genecon estática o un generador de van der Graff), un par de electrodos dispuestos en un círculo concéntrico y un par de electrodos dispuestos paralelo.
- Obtener una placa de Petri o un tanque de observación, llene con aceite (como el aceite de ricino) y añadir polvos electrified polarizable (como las semillas de sémola) en el aceite.
- Carga de los electrodos con la configuración de electrodos paralelos sobre el soporte de tanque de observación. Conectar los dos electrodos a la "−" (tierra) y "+" (cargado) terminales del Generador electrostático, respectivamente, como en la figura 1. La conexión puede hacerse por los cables con abrazaderas.
Figura 1 : Diagrama que muestra los esquemas de dos hilos de cobre conectados a un generador eléctrico, los otros extremos (sumergidos en aceite) de los cables está conectado a un par de electrodos paralelos.
- Gire la manivela del generador que cargas en el electrodo conectado al terminal "+" positivo. Hacer al menos 5 vueltas completas. Observar el comportamiento de los polvos.
- Use un cable corto directamente el "−" y los terminales "+" para neutralizar las cargas. Desconectar el electrodo de los terminales.
- A continuación, cargar la configuración del electrodo de círculo concéntrico sobre el soporte y conecte los electrodos a los terminales del generador, como se muestra en la figura 2. Agregue el aceite en el plato para aleatorizar los polvos.
Figura 2 : Diagrama que muestra los esquemas de dos hilos de cobre conectados a un generador eléctrico, los otros extremos (sumergidos en aceite) de los cables está conectado a un par de electrodos en forma de un anillo interior y un anillo externo respectivamente.
- La manivela del generador (por lo menos 5 vueltas) y los electrodos de carga y observar el comportamiento de los polvos en el plato.
2. efecto del campo eléctrico
- Obtener una lata de soda vacía y descansar en su lado (por lo que se puede rodar libremente) sobre una mesa
- Obtener una barra de acrílico; frotar con la piel para cargarlo.
- Acercar la varilla a la lata de soda vacía y observar la respuesta de la lata de soda.
- Rasgue una tira pequeña de papel y llevarlo a la barra cargada, observar su comportamiento.
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El campo eléctrico es fundamental para comprender la electricidad y las interacciones carga-carga y está estrechamente relacionado con cantidades importantes como el potencial eléctrico.
Cualquier objeto cargado genera un campo eléctrico. La magnitud del campo depende de la cantidad de carga en el objeto y de la distancia desde el objeto donde se mide el campo. Estos campos también ejercen una fuerza sobre otras cargas o materiales cercanos causando fenómenos interesantes.
En este video, primero revisaremos los conceptos básicos relacionados con los campos eléctricos, y luego ilustraremos un experimento que ayuda a estudiar los campos eléctricos y las fuerzas que impactan las cargas y los materiales en un campo. Por último, veremos un par de aplicaciones que utilizan los campos eléctricos a su favor.
Como se mencionó anteriormente, un objeto cargado produce un campo eléctrico en el espacio circundante. Usando la ley de Gauss, se puede demostrar que la magnitud del campo eléctrico es linealmente proporcional a la carga de la fuente 'Q' e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia 'r' de la carga de la fuente; y 'k' es la constante de Coulomb. Por lo tanto, duplicar la cantidad de carga de la fuente da como resultado el doble de la intensidad de campo. Mientras que duplicar la distancia de medición reduce la intensidad de campo cuatro veces.
El campo eléctrico producido por un objeto cargado se puede visualizar utilizando líneas ficticias llamadas "líneas de campo eléctrico". Estas líneas son una colección de flechas dibujadas para ayudar a visualizar tanto la magnitud como la dirección del campo. Por lo general, las líneas de campo se alejan de una carga de fuente positiva y se dirigen hacia una carga de fuente negativa.
El número total de líneas de campo producidas por un objeto cargado representa la cantidad de la carga, mientras que la densidad de las líneas en una ubicación particular en el campo denota la magnitud en esa ubicación. Por lo tanto, las líneas están muy juntas cerca de una esfera cargada, mientras que están más separadas a una mayor distancia de la fuente.
La dirección del campo eléctrico de una carga de fuente desconocida se determina colocando una carga de prueba en las proximidades de la carga de la fuente y observando si la carga de prueba es atraída hacia la carga de la fuente o repelida lejos de ella.
La magnitud de esta fuerza 'F' viene dada por la ley de Coulomb, que establece que la fuerza es linealmente proporcional a la intensidad del campo eléctrico y a la cantidad de carga en la carga de prueba. Para la dirección: si la carga de prueba es positiva, la dirección de la fuerza sobre la carga de prueba es la misma que la del campo eléctrico. Sin embargo, si la carga de prueba es negativa, la dirección de la fuerza es opuesta a la del campo eléctrico de la carga de la fuente.
Los campos eléctricos también pueden producir una diferencia de potencial eléctrico, o una caída de voltaje, a lo largo de la dirección del campo. Este fenómeno se discute en detalle en el video de Potencial Eléctrico de esta colección. Por el contrario, es importante tener en cuenta que los campos eléctricos también se generan mediante la aplicación de diferentes voltajes a dos conductores separados. En este caso, la dirección del campo apunta desde el voltaje más alto al voltaje más bajo.
Además de los objetos cargados, los campos eléctricos también afectan a los materiales que son de carga neutra, como el alambre de cobre. Todos los materiales neutros están formados por una cantidad enorme e igual de cargas positivas y negativas. Por lo tanto, los campos eléctricos ejercen una fuerza sobre cada una de estas cargas; dando lugar a un desplazamiento de grandes colecciones de carga en el material. Esto puede resultar en una separación efectiva de cargas positivas y negativas y se conoce como "polarización".
En la siguiente sección, veremos cómo visualizar líneas de campo del campo eléctrico generadas por la aplicación de voltajes a dos configuraciones de electrodos diferentes. Y en la siguiente sección veremos el efecto de las fuerzas eléctricas y el fenómeno de la polarización usando papel, piel, una varilla acrílica y una lata de refresco.
La demostración consiste en un generador electrostático, como un Genecon estático de mano o un generador de van der Graff, un par de electrodos dispuestos en una configuración de círculo concéntrico, un par de electrodos dispuestos en paralelo entre sí y una placa de Petri o tanque de observación.
El tanque de observación está lleno de un aceite viscoso, como el aceite de ricino, y aproximadamente medio gramo de polvo polarizable, como semillas de sémola.
Cargue el tanque de observación lleno de emulsión de aceite y polvo en su soporte. A continuación, monte la placa con la configuración de electrodos paralelos en el soporte. Con cables, conecte los electrodos a los terminales negativo y positivo del generador electrostático.
Gire la manivela del generador al menos 5 vueltas completas, creando así una diferencia de potencial entre los dos conductores y estableciendo un campo eléctrico. Dado que el polvo agregado es polarizable, las motas de polvo comenzarán a alinearse lentamente con las líneas del campo eléctrico.
A continuación, para neutralizar las cargas, cortocircuite directamente los terminales positivo y negativo conectando un cable entre los terminales. Después de esperar unos segundos para que se disipe la carga, desconecte el cable de cortocircuito de los terminales. A continuación, desmonte la placa del electrodo del soporte.
Ahora, monte la placa con la configuración de electrodo de círculo concéntrico en el soporte. Mezcle el aceite y el polvo polarizable en el tanque de observación enrollando cuidadosamente la configuración.
Encienda el generador y gírelo al menos 5 vueltas completas para crear un campo eléctrico entre los dos anillos conductores. El polvo entre los anillos formará líneas radiantes que indican que las líneas de campo eléctrico en esta región son similares a las líneas de campo eléctrico de una carga puntual ubicada en el centro de los anillos. En contraste, el polvo dentro del círculo interno no posee una alineación discernible, lo que indica que no existe un campo eléctrico apreciable en esta región.
Ahora analicemos un experimento que demuestra la polarización y las fuerzas del campo eléctrico. Los elementos comunes utilizados en esta demostración son una lata de refresco vacía, una varilla acrílica, un trozo de piel lo suficientemente grande como para envolver la varilla y una tira de papel.
Coloque la lata de refresco vacía de lado para que pueda rodar libremente. Envuelve el pedazo de piel alrededor de la varilla y frótala de extremo a extremo al menos 10 veces. Al frotar la varilla, está transfiriendo físicamente electrones del pelaje a la varilla y haciendo que la varilla se cargue negativamente, lo que le permite generar el campo eléctrico necesario para inducir una polarización.
Acerque la varilla cargada a la lata de refresco vacía y observe las fuerzas de atracción en la lata a medida que comienza a rodar hacia la varilla. Esto se debe a que el campo eléctrico de la varilla induce una polarización en la lata de refresco. Las cargas de signo opuesto a las de la vara se acercan a la vara, mientras que las cargas del mismo signo se alejan de la vara. Esto da como resultado que la varilla ejerza fuerzas de atracción y repulsión sobre la lata. Dado que las cargas opuestas están más cerca de la varilla, estas experimentan una fuerza más fuerte, lo que produce una fuerza de atracción neta hacia la varilla.
A continuación, acerque la varilla cargada a la tira de papel y observe cómo el papel se dobla hacia la varilla. El comportamiento atractivo es el resultado del mismo efecto de polarización inducida que hizo que la lata de refresco rodara hacia la varilla. Curiosamente, a pesar de pesar mucho menos que la lata de refresco, el movimiento total del papel es comparativamente pequeño. Esto se debe a la naturaleza aislante del papel en comparación con la naturaleza conductora de la lata, lo que conduce a una polarización mucho más débil.
Los campos eléctricos son ubicuos, ya que existen dondequiera que haya objetos cargados o diferencias de voltaje.
La electricidad, o corriente eléctrica, es el resultado de campos de fuerza eléctrica que empujan la carga a través de cables altamente conductores. A gran escala, esto implica el encaminamiento de la electricidad desde las centrales eléctricas hasta los edificios residenciales y comerciales. En una escala más pequeña, el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito es fundamental para el funcionamiento de cualquier dispositivo electrónico, como un LED, una bombilla, un ventilador o una computadora.
La espectrometría de masas utiliza campos eléctricos para determinar el contenido químico de una muestra. En este equipo, primero se generan las moléculas ionizadas mediante la aplicación de fuerzas fuertes, como un haz de electrones, plasma o láseres. Estas moléculas cargadas pasan a través de un conjunto de campos eléctricos alternos. El campo ejerce una fuerza eléctrica sobre las moléculas, que altera su trayectoria, lo que lleva a una separación efectiva.
Acabas de ver la introducción de JoVE a Electric Fields. Ahora debe comprender los principios que rigen la magnitud y la dirección de los campos eléctricos, cómo visualizar las líneas de campo eléctrico y cómo un campo eléctrico puede inducir la polarización. ¡Gracias por mirar!
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Q1: How does the magnitude of an electric field depend on charge and distance?
The electric field magnitude is linearly proportional to the source charge and inversely proportional to the square of the distance from it. Doubling the source charge doubles the field strength, while doubling the distance reduces it by four times. This relationship is expressed through Coulomb's constant and forms the foundation for understanding charge interactions.
Q2: What do electric field lines represent and how are they drawn?
Electric field lines are fictitious arrows that visualize both magnitude and direction of electric fields. Lines radiate outward from positive charges and point toward negative charges. The density of lines indicates field strength at that location, with closely packed lines near the charge and more spread-out lines at greater distances.
Q3: How can you determine the direction of an electric field from an unknown source charge?
Place a test charge near the source charge and observe whether it is attracted or repelled. If the test charge is positive, the field direction matches the force direction. If the test charge is negative, the field direction is opposite to the force. This method reveals the source charge's polarity and field orientation.
Q4: What is polarization and how does an electric field cause it?
Polarization occurs when an electric field displaces positive and negative charges within a neutral material, creating an effective charge separation. The field exerts forces on both positive and negative charges in opposite directions. Since opposite charges are closer to the field source, they experience stronger attraction, resulting in net attractive forces on the material.
Q5: How is the relationship between electric fields and voltage established?
Electric fields produce electric potential differences, or voltage drops, along the field direction. Conversely, applying different voltages to separated conductors generates electric fields. The field direction points from higher voltage to lower voltage, establishing a fundamental connection between these two electrical quantities.
Q6: What are practical applications of electric fields in technology?
Electric fields drive electrical current through conductive wires, enabling power distribution and electronic devices like LEDs and computers. Mass spectrometry uses alternating electric fields to separate ionized molecules by altering their trajectories, allowing determination of chemical composition. These applications demonstrate how electric fields are fundamental to modern technology.
Q7: Why does a charged rod attract a soda can more strongly than paper?
Both materials experience polarization from the charged rod's electric field, but the soda can's conductive nature allows stronger charge displacement than paper's insulating properties. The can's greater conductivity enables more effective charge separation, producing stronger net attractive forces. Paper's insulating nature limits polarization, resulting in comparatively weaker movement.