sábado, 23 de marzo de 2019

FÍSICA - CANTIDADES FÍSICAS


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Campo eléctrico que emana de un punto carga eléctrica positiva suspendida sobre una hoja infinita de material conductor.
Un campo eléctrico rodea una carga eléctrica , y ejerce fuerza sobre otras cargas en el campo, atrayéndolos o rechazándolos. [1] [2]El campo eléctrico a veces se abrevia como E-field . Matemáticamente, el campo eléctrico es un campo vectorial que asocia a cada punto en el espacio la fuerza (electrostática o Coulomb ) por unidad de carga ejercida sobre una carga de pruebapositiva infinitesimal en reposo en ese punto. [3] [4] [5] La unidad SIpara la intensidad de campo eléctrico es voltio por metro (V / m). [6]Newtons por coulomb (N / C) también se usa como una unidad de fuerza de campo eléctrico. Los campos eléctricos son creados por cargas eléctricas, o por campos magnéticos que varían con el tiempo Los campos eléctricos son importantes en muchas áreas de la física y se explotan prácticamente en tecnología eléctrica. En una escala atómica, el campo eléctrico es responsable de la fuerza atractiva entre el núcleo atómico y los electrones que mantienen unidos a los átomos , y las fuerzas entre los átomos que causan el enlace químico . Los campos eléctricos y los campos magnéticosson ambas manifestaciones de la fuerza electromagnética , uno de los cuatroFuerzas fundamentales (o interacciones) de la naturaleza.


Definición editar ]

De la ley de Coulomb una partícula con carga eléctrica. en la posición  Ejerce una fuerza sobre una partícula con carga.  en la posición  de
dónde es el vector unitario en la dirección del punto apuntar ε 0 es la constante eléctrica (también conocida como "la permitividad absoluta del espacio libre") en C 2 m −2 N −1
Cuando los cargos  y tienen el mismo signo de que esta fuerza es positiva, dirigida lejos de la otra carga, lo que indica que las partículas se repelen entre sí. Cuando las cargas tienen signos diferentes, la fuerza es negativa, lo que indica que las partículas se atraen. Para facilitar el cálculo de la fuerza de Coulomb en cualquier carga en la posición esta expresión puede ser dividida por , dejando una expresión que solo depende del otro cargo (el cargo de origen ) [4] [5]
Este es el campo eléctrico en el punto. debido a la carga puntual es un vector igual a la fuerza de Coulomb por unidad de carga que una carga puntual positiva experimentaría en la posiciónDado que esta fórmula da la magnitud y dirección del campo eléctrico en cualquier punto en el espacio (excepto en la ubicación de la carga misma, , donde se vuelve infinito) define un campo vectorial . A partir de la fórmula anterior, se puede ver que el campo eléctrico debido a una carga puntual está dirigido a cualquier lugar alejado de la carga si es positivo, y hacia la carga si es negativo, y su magnitud disminuye con el cuadrado inverso de la distancia desde la carga.
Si hay múltiples cargas, la fuerza de Coulomb resultante sobre una carga se puede encontrar sumando los vectores de las fuerzas debidas a cada carga. Esto muestra que el campo eléctrico obedece al principio de superposición : el campo eléctrico total en un punto debido a una colección de cargas es igual a la suma vectorial de los campos eléctricos en ese punto debido a las cargas individuales. [5] [7]
dónde es el vector unitario en la dirección del punto apuntar .
Esta es la definición del campo eléctrico debido a las cargas de la fuente puntual. Diverge y se vuelve infinito en las ubicaciones de las cargas en sí, y por lo tanto no se define allí.
Evidencia de un campo eléctrico: cacahuetes de espuma de poliestireno adheridos a la piel de un gato debido a la electricidad estática . El efecto triboeléctricohace que se acumule una carga electrostática en la piel debido a los movimientos del gato. El campo eléctrico de la carga provoca la polarización de las moléculas de espuma de poliestireno debido a la inducción electrostática , lo que resulta en una ligera atracción de las piezas de plástico ligero hacia el pelaje cargado. Este efecto es también la causa de la adherencia estática en la ropa.
La fuerza de Coulomb sobre una carga de magnitud.  en cualquier punto del espacio es igual al producto de la carga y el campo eléctrico en ese punto
Las unidades del campo eléctrico en el sistema SI son newtons por coulomb (N / C), o voltios por metro (V / m); en términos de las unidades base SI son kg⋅m⋅s −3 ⋅A −1
El campo eléctrico debido a una distribución continua de carga.  en el espacio (donde es la densidad de carga en coulombs por metro cúbico) puede calcularse considerando la carga en cada pequeño volumen de espacio  en el punto  Como punto de carga, y calculando su campo eléctrico.  en el punto 
dónde  es el vector unidad que apunta desde  a , luego sumando las contribuciones de todos los incrementos de volumen mediante la integración sobre el volumen de la distribución de cargos 

Fuentes editar ]

Causas y descripción editar ]

Los campos eléctricos son causados ​​por cargas eléctricas , descritas por la ley de Gauss , [8] o por campos magnéticos variables , descritos por la ley de inducción de Faraday . [9] Juntas, estas leyes son suficientes para definir el comportamiento del campo eléctrico como una función de reparto de carga y campo magnético. Sin embargo, dado que el campo magnético se describe como una función del campo eléctrico, las ecuaciones de ambos campos están acopladas y juntas forman las ecuaciones de Maxwell que describen ambos campos en función de las cargas y las corrientes .
En el caso especial de un estado estable (cargas y corrientes estacionarias), el efecto inductivo de Maxwell-Faraday desaparece. Las dos ecuaciones resultantes (ley de Gauss y la ley de Faraday sin término de inducción. ), en conjunto, son equivalentes a la ley de Coulomb , escrita comopara una densidad de carga  (denota la posición en el espacio). [10]Note queLa permisividad del vacío debe sustituirse si las cargas se consideran en medios no vacíos.

Representación de carga continua frente a discreta editar ]

El campo eléctrico (líneas con flechas) de una carga (+) induce cargas superficiales áreas rojas y azules ) en objetos metálicos debido a la inducción electrostática .
Las ecuaciones del electromagnetismo se describen mejor en una descripción continua. Sin embargo, los cargos a veces se describen mejor como puntos discretos; por ejemplo, algunos modelos pueden describir los electrones como fuentes puntuales donde la densidad de carga es infinita en una sección infinitesimal del espacio.
Un cargo  situado en  Se puede describir matemáticamente como una densidad de carga. , donde se utiliza la función delta de Dirac (en tres dimensiones). A la inversa, una distribución de cargos puede ser aproximada por muchos cargos de puntos pequeños.

Principio de superposición editar ]

Los campos eléctricos satisfacen el principio de superposición , porque las ecuaciones de Maxwell son lineales . Como resultado, si y  Son los campos eléctricos resultantes de la distribución de cargas.  y , una distribución de cargos  creará un campo eléctrico por ejemplo, la ley de Coulomb también es lineal en densidad de carga.
Este principio es útil para calcular el campo creado por múltiples cargos en puntos. Si cargos son estacionarios en el espacio en En ausencia de corrientes, el principio de superposición demuestra que el campo resultante es la suma de los campos generados por cada partícula según lo descrito por la ley de Coulomb:

Campos electrostáticos editar ]

Ilustración del campo eléctrico que rodea una carga positiva (roja) y negativa (azul)
Archivo: 14.  Електрични силови линии.ogv
Experimento que ilustra líneas de campo eléctrico. Un electrodo conectado a una máquina de inducción electrostática se coloca en un recipiente lleno de aceite. Teniendo en cuenta que el aceite es un medio dieléctrico, cuando hay corriente a través del electrodo, las partículas se organizan para mostrar las líneas de fuerza del campo eléctrico.
Los campos electrostáticos son campos eléctricos que no cambian con el tiempo, lo que ocurre cuando las cargas y las corrientes son estacionarias. En ese caso, la ley de Coulomb describe completamente el campo. [11]

Potencial eléctrico editar ]

Si un sistema es estático, de modo que los campos magnéticos no varían en el tiempo, entonces, según la ley de Faraday, el campo eléctrico está libre de rizos. En este caso, uno puede definir un potencial eléctrico , es decir, una función tal que [12] Esto es análogo al potencial gravitatorio .

Paralelos entre campos electrostáticos y gravitacionales editar ]

La ley de Coulomb, que describe la interacción de las cargas eléctricas:
(dónde ).
Esto sugiere similitudes entre el campo eléctrico E y el campo gravitacional g , o sus potenciales asociados. La masa a veces se llama "carga gravitatoria" debido a esa similitud. cita requerida ]
Las fuerzas electrostáticas y gravitacionales son centrales , conservadoras y obedecen una ley del cuadrado inverso .

Campos uniformes editar ]

Un campo uniforme es aquel en el que el campo eléctrico es constante en cada punto. Se puede aproximar colocando dos placas conductoras paralelas entre sí y manteniendo un voltaje (diferencia de potencial) entre ellas; es solo una aproximación debido a los efectos de contorno (cerca del borde de los planos, el campo eléctrico está distorsionado porque el plano no continúa). Suponiendo planos infinitos, la magnitud del campo eléctrico E es:
donde Δ V es la diferencia de potencial entre las placas y d es la distancia que separa las placas. El signo negativo surge cuando las cargas positivas se repelen, por lo que una carga positiva experimentará una fuerza alejada de la placa cargada positivamente, en la dirección opuesta a aquella en la que aumenta el voltaje. En aplicaciones micro y nano, por ejemplo, en relación con los semiconductores, una magnitud típica de un campo eléctrico es del orden de 10 6  V⋅m −1 , que se logra al aplicar una tensión del orden de 1 voltio entre conductores espaciados 1 µm aparte.

Campos electrodinámicos editar ]

Los campos electrodinámicos son campos eléctricos que cambian con el tiempo, por ejemplo, cuando las cargas están en movimiento.
El campo eléctrico no se puede describir independientemente del campo magnético en ese caso. Si A es el vector magnético potencial , definido de modo que, todavía se puede definir un potencial eléctrico.  tal que
Uno puede recuperar la ley de inducción de Faraday tomando el rizo de esa ecuación
[13]
lo que justifica, a posteriori, la forma anterior de E .

La energía en el campo eléctrico editar ]

La energía total por unidad de volumen almacenada por el campo electromagnético es [14]
donde ε es la permitividad del medio en el que existe el campo,su permeabilidad magnética , y E y B son los vectores de campo eléctrico y magnético.
Como los campos E y B están acoplados, sería engañoso dividir esta expresión en contribuciones "eléctricas" y "magnéticas". Sin embargo, en el caso del estado estacionario, los campos ya no están acoplados (consulte las ecuaciones de Maxwell ). En ese caso, tiene sentido calcular la energía electrostática por unidad de volumen:
La energía total U almacenada en el campo eléctrico en un volumen V dado es por lo tanto

Otras extensiones editar ]

Ecuación definitiva de campos vectoriales editar ]

En presencia de materia, es útil extender la noción de campo eléctrico en tres campos vectoriales: [15]
donde P es la polarización eléctrica : la densidad del volumen de los momentos dipolares eléctricos y D es el campo de desplazamiento eléctrico . Desde E y P se definen por separado, esta ecuación se puede usar para definir D . La interpretación física de D no es tan clara como E (efectivamente el campo aplicado al material) o P(campo inducido debido a los dipolos en el material), pero aún sirve como una simplificación matemática conveniente, ya que las ecuaciones de Maxwell se pueden simplificar en Condiciones de cobros y corrientes libres .

Relación constitutiva editar ]

Los campos E y D están relacionados por la permitividad del material, ε . [16] [15]
Para los materiales lineales, homogéneos , isotrópicos , E y D son proporcionales y constantes en toda la región, no hay dependencia de posición: para materiales no homogéneos, hay una dependencia de posición en todo el material:
Para los materiales anisotrópicos, los campos E y D no son paralelos, por lo que E y D están relacionados por el tensor de permitividad (un campo de tensor de segundo orden ), en forma de componente:
Para medios no lineales, E y D no son proporcionales. Los materiales pueden tener diferentes grados de linealidad, homogeneidad e isotropía.

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