Tema 4. Campo eléctrico

Las leyes de la electricidad y el magnetismo juegan un papel fundamental en el funcionamiento de dispositivos como la televisión, motores eléctricos, ordenadores, aceleradores de alta energía, satélites y otros instrumentos electrónicos. Además, las fuerzas interatómicas e intramoleculares responsables de la formación de los sólidos y líquidos son eléctricas en su origen.

La constatación de que los cuerpos están cargados eléctricamente es muy antigua, tal como se deduce de las observaciones de electrización de los cuerpos por frotamiento que se realizaron hace ya más de veinte siglos. De la misma forma, el magnetismo es conocido desde hace miles de años. Piedras procedentes de la ciudad de Magnesia (en realidad, constituidas por óxidos de hierro, magnetita), tenían la propiedad de orientarse en la dirección del norte geográfico.

La interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético fue observada en 1820 por el físico danés H. C. Oersted (1777-1851), poniendo de manifiesto que una corriente eléctrica daba lugar, en sus alrededores, a un campo magnético. Una década más tarde, Joseph Henry (1797-1878) y Michael Faraday (1791-1867) realizaron diversas experiencias con conductores en presencia de un campo magnético. Observaron que el movimiento de una bobina en el seno de un campo magnético originaba una corriente  eléctrica, cuya magnitud y sentido dependía de la velocidad y sentido en que se movía la bobina. Sin embargo, cuando la bobina estaba en reposo no aparecía corriente alguna. Finalmente, fue James Clerk Maxwell (1831-1879), en 1873, quien unificó los resultados de estas observaciones y otros hechos experimentales en sus leyes del electromagnetismo, conocidas como las ecuaciones de Maxwell. No sólo unificó los fenómenos eléctrico y magnético, sino que estableció la teoría de las ondas electromagnéticas incluyendo la luz. Este trabajo de Maxwell es comparable al de Newton con sus leyes de movimiento y su teoría de la gravitación.

La primera sesión de este bloque se dedica al concepto de campo electrostático. Se comienza con una descripción de las propiedades eléctricas de la materia y se enfatiza el carácter conservativo de la carga y su cuantización. Después se presenta la ley de Coulomb como una ley experimental que gobierna la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas. A continuación, se introduce el concepto de campo eléctrico asociado con una distribución de carga y se describe su efecto sobre otras partículas cargadas. El principio de superposición permite la obtención del campo eléctrico de un sistema de cargas puntuales en un punto del espacio como la suma vectorial de los campos individuales. Este principio aplicado a una distribución continua de carga implica la resolución de una integral de línea, superficie o volumen que se aplicará a varias geometrías sencillas. Se sigue con el concepto de líneas de campo eléctrico y sus propiedades, así como con el concepto de flujo del campo eléctrico que nos conduce al enunciado del teorema de Gauss y sus aplicaciones.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta primera sesión a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

El concepto de energía potencial se introdujo en el primer bloque relacionándola con fuerzas conservativas como la fuerza gravitatoria y la fuerza elástica ejercida por un resorte. El concepto de energía potencial también es de gran importancia en el estudio de la electricidad. Teniendo en cuenta que la fuerza eléctrica es conservativa, los fenómenos electrostáticos se pueden describir en términos de una energía potencial eléctrica. Esta idea nos permite introducir el concepto de potencial eléctrico cuyo carácter escalar permite analizar los fenómenos electrostáticos de forma más sencilla que utilizando el campo eléctrico y las fuerzas electrostáticas. El potencial eléctrico se puede definir como la energía potencial por unidad de carga y se obtendrá su valor para cargas puntuales y distribuciones continuas de carga. En particular, se analizará el caso de conductores en equilibrio electrostático y sus propiedades.

A continuación se define el concepto de superficie equipotencial y sus propiedades. Después se obtiene la relación entre el campo eléctrico y el potencial eléctrico que nos permitirá obtener el potencial eléctrico por integración conocido el campo eléctrico o el campo eléctrico a partir del gradiente  del potencial eléctrico conocido éste.

Se finalizará la sesión con el estudio de la capacidad, los condensadores y los dieléctricos. Se entiende por condensador cualquier dispositivo capaz de almacenar carga y energía. Se analizan distintos tipos de condensadores y se obtiene la capacidad de éstos, así como la asociación de condensadores. Seguidamente se estudia la energía que se almacena en un condensador y se define el concepto de densidad de energía entre las placas de un condensador. Otro aspecto interesante a estudiar es la variación de la capacidad, del campo eléctrico, del potencial eléctrico y de la carga eléctrica cuando se coloca un material dieléctrico en el interior de un condensador.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta segunda sesión a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

La última sesión de este bloque se dedica al estudio de la corriente eléctrica, o lo que es equivalente, analizar el movimiento de las cargas dentro de un conductor debido a la presencia de un campo eléctrico. Se inicia con una descripción de la naturaleza de la corriente eléctrica y se definen los conceptos de intensidad de corriente eléctrica y densidad de corriente. La intensidad de corriente se define como la carga que atraviesa una superficie por unidad de tiempo, y la densidad de corriente en un conductor como la intensidad por unidad de superficie, que es una magnitud vectorial cuya dirección es la de la velocidad de las cargas.

Se continua con la deducción de la ley de Ohm a partir de la ecuación general de la conducción eléctrica y se definen los conceptos de resistencia, resistividad y conductividad. También se analizan las asociaciones de resistencias y la resistencia equivalente en cada caso. Se hace una breve descripción de instrumentos de medida de magnitudes eléctricas.

En todo circuito eléctrico se produce una pérdida de energía potencial, que es la que gana el conductor en forma de calor e irradia al exterior, conocido como efecto Joule. Por lo tanto, para mantener un circuito de corriente continua se necesitan dispositivos que proporcionen energía eléctrica al mismo. Se finaliza la sesión con el estudio de los circuitos de corriente continua obteniéndose la ecuación de circuitos sencillos y la resolución de circuitos complicados mediante las reglas de Kirchoff, el método de las corrientes de malla y el teorema de Thévenin.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta tercera sesión a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

Bibliografía

  1. Douglas C. Giancoli, Física. Principios con aplicaciones, Prentice-Hall Hispano Americana, S. A., 1998 (4ª edición, capítulos 16-19) (English version on the web site)
  2. Paul A. Tipler & G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología (2 tomos), Editorial Reverté, 2010 (6ª edición, capítulos 21-25) (versió en català)
  3. R. A. Serway & J. W. Jewett, Physics for scientists and engineers with modern physics, BROOKS/COLE CENGAGE Learning, 2010 (8ª edición, capítulos 23-28)
  4. W. E. Gettys, F. J. Keller & M. J. Skove, Física clásica y moderna, Editorial McGraw-Hill Interamericana de España, 1991 (1º edición, capítulos 20-25)
  5. S. Burbano, E. Burbano y C. Gracia, Problemas de física, Editorial Tébar, 2004
  6. F. A. González, La física en problemas, Editorial Tébar, 2000

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