Campo eléctrico

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Electromagnetismo

Electricidad Magnetismo
Electrostática Carga eléctrica Electricidad estática Campo eléctrico Conductor Aislante Triboelectricidad La descarga electrostática Inducción La ley de Coulomb La ley de Gauss Flujo eléctrico / energía potencial Momento dipolar eléctrico Polarización eléctrica
Magnetoestática La ley de Ampère Campo magnético Magnetización Flujo magnético Ley de Biot-Savart Momento dipolar magnético La ley de Gauss para el magnetismo
Electrodinámica Ley de la fuerza de Lorentz Inducción electromagnética La ley de Faraday La ley de Lenz Corriente de desplazamiento Las ecuaciones de Maxwell Campo electromagnético Radiación electromagnética Maxwell tensor Vector de Poynting Potencial Liénard-Wiechert Ecuaciones de Jefimenko Corrientes de Foucault
Red eléctrica Corriente eléctrica Potencial eléctrico Voltaje Resistencia La ley de Ohm Circuito en serie Circuito paralelo Corriente continua Corriente alterna Fuerza electromotriz Capacidad Inductancia Impedancia Cavidades resonantes Las guías de onda
Formulación covariante Tensor electromagnético ( tensor de tensión-energía) Cuadricorriente Electromagnética de cuatro potencial
Los científicos Ampère Culombio Faraday Gauss Heaviside Henry Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

En la física , el espacio que rodea a una carga eléctrica o en presencia de un distintos intervalos de tiempo campo magnético tiene una propiedad llamada un campo eléctrico. Este campo eléctrico ejerce una fuerza sobre otros objetos cargados eléctricamente. El concepto de un campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday .

El campo eléctrico es una campo vectorial con Unidades del SI de newtons por Coulomb ^(NC-1) o, equivalentemente, voltios por metro (V ^m-1). Las unidades SI básicas del campo eléctrico son kg · m · s ^-3 · A ^-1. La intensidad del campo en un punto dado se define como la fuerza que se ejerce sobre un positivo carga de prueba de 1 coulomb colocada en ese punto; la dirección del campo viene dada por la dirección de esa fuerza. Los campos eléctricos contienen de energía eléctrica con densidad proporcional al cuadrado de la intensidad de campo de la energía. El campo eléctrico es cobrar como gravitatoria aceleración es masiva y densidad de fuerza es a volumen.

Una carga en movimiento no tiene sólo un campo eléctrico, sino también un campo magnético, y en general los campos eléctricos y magnéticos no son completamente fenómenos separados; lo que un observador percibe como un campo eléctrico, otro observador en una diferente marco de referencia percibe como una mezcla de los campos eléctricos y magnéticos. Por esta razón, se habla de " electromagnetismo "o" campos electromagnéticos ". En la mecánica cuántica , alteraciones en los campos electromagnéticos son llamados fotones , y la energía de los fotones es cuantificada.

Definición

A estacionaria cargada de partículas en un campo eléctrico experimenta una fuerza proporcional a su carga dada por la ecuación

$\ Mathbf {F} = q \ left [- \ nabla \ phi - \ frac {\ partial \ mathbf {A}} {\ t parcial} \ right]$

donde la densidad de flujo magnético viene dada por

$\ Mathbf {B} = \ nabla \ times \ mathbf {A}$

y donde $-q \ nabla \ phi$ es la fuerza de Coulomb. (Vea la sección de abajo).

La carga eléctrica es una característica de algunos partículas subatómicas, y es cuantificada cuando se expresa como un múltiplo de la llamada carga elemental $e$ . Los electrones por convención tener una carga de -1, mientras que los protones tienen carga opuesta de 1. Los quarks tienen una carga fraccionada de -1/3 o +2/3. Los equivalentes antipartícula de estos tienen la carga opuesta. Otras partículas subatómicas llevar carga eléctrica, tales como muones y tauones.

En general, las personas del mismo signo partículas cargadas se repelen entre sí, mientras que de diferente signo partículas cargadas se atraen. Esto se expresa cuantitativamente en la ley de Coulomb , que establece la magnitud de la fuerza de repulsión es proporcional al producto de las dos cargas, y debilita proporcionalmente al cuadrado de la distancia.

La carga eléctrica de un objeto macroscópico es la suma de las cargas eléctricas de sus partículas constituyentes. A menudo, la carga eléctrica neta es cero, ya que, naturalmente, el número de electrones en cada átomo es igual al número de los protones, por lo que sus cargos cancela. Situaciones en las que la carga neta es distinto de cero se hace referencia a la electricidad estática a menudo. Además, incluso cuando la carga neta es cero, que puede ser distribuido de manera no uniforme (por ejemplo, debido a un campo eléctrico externo), y entonces se dice que el material a ser polarizado, y la carga relacionada con la polarización se conoce como carga ligada (mientras que el exceso de carga traída desde fuera se llama carga libre). Un movimiento ordenado de partículas cargadas en una dirección particular (en los metales, estos son los electrones) se conoce como corriente eléctrica. La naturaleza discreta de la carga eléctrica fue propuesto por Michael Faraday en sus experimentos de electrólisis, a continuación, demuestra directamente por Robert Millikan en su experimento la gota de aceite.

La unidad del SI para la cantidad de electricidad o carga eléctrica es el culombio, que representa aproximadamente 6,25 × 10 ¹⁸ cargas elementales (la carga en un solo electrón o un protón). El coulomb se define como la cantidad de carga que ha pasado a través de la sección transversal de un conductor eléctrico que lleva un amperio en un segundo. El símbolo $Q$ se utiliza a menudo para referirse a una cantidad de electricidad o carga. La cantidad de carga eléctrica se puede medir directamente con un electrómetro, o indirectamente mide con un galvanómetro balístico.

Formalmente, una medida de la carga debe ser un múltiplo de la carga elemental $e$ (Carga está cuantizada), pero ya que es una cantidad promedio, macroscópico, muchos órdenes de magnitud mayor que un solo carga elemental, puede tomar efectivamente cualquier valor real. Además, en algunos contextos, tiene sentido hablar de fracciones de un cargo; por ejemplo, en la carga de un condensador.

Si la partícula cargada se puede considerar una carga puntual, el campo eléctrico se define como la fuerza que experimenta por unidad de carga:

$\ Mathbf {E} = \ frac {\ mathbf {F}} {q}$

donde

$\ Mathbf {F}$ es el eléctrico fuerza experimentado por la partícula

$q$ es su cargo

$\ Mathbf {E}$ es el campo eléctrico en el que la partícula se encuentra

Tomado literalmente, esta ecuación sólo define el campo eléctrico en los lugares donde hay cargas estacionarias presentes para experimentarlo. Además, la fuerza ejercida por otro cargo $q$ alterará la distribución de la fuente, lo que significa que el campo eléctrico en presencia de $q$ difiere de sí mismo en ausencia de $q$ . Sin embargo, el campo eléctrico de una distribución determinada fuente permanece define en la ausencia de cargos con los que interactuar. Esto se logra mediante la medición de la fuerza ejercida sobre sucesivamente más pequeños cargas de prueba colocados en la proximidad de la distribución de la fuente. Mediante este proceso, el campo eléctrico creado por una distribución fuente dada se define como el límite cuando la carga de prueba se aproxima a cero de la fuerza por unidad de carga ejercida sobre el mismo.

$\ Mathbf {E} = \ lim_ {q \ a 0} \ frac {\ mathbf {F}} {q}$

Esto permite que el campo eléctrico sea dependiente de la distribución de la fuente solo.

Como se desprende de la definición, la dirección del campo eléctrico es la misma que la dirección de la fuerza que ejercería sobre una partícula cargada positivamente, y enfrente de la dirección de la fuerza sobre una partícula cargada negativamente. Como las cargas iguales se repelen y los opuestos se atraen (cuantificada a continuación), el campo eléctrico tiende a apuntar hacia afuera de las cargas positivas y cargas negativas hacia.

La ley de Coulomb

El campo eléctrico que rodea a una carga puntual viene dada por la ley de Coulomb :

$\ Mathbf {E} = \ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon_0} \ frac {Q} {r ^ 2} \ mathbf {\ hat {r}} \ qquad \ mbox {(1)}$

donde

$Q$ es la carga de la partícula de la creación de la fuerza eléctrica,

$r$ es la distancia de la partícula con carga $Q$ hasta el punto de evaluación de campo E,

$\ Mathbf {\ hat {r}}$ es el vector unitario que apunta desde la partícula con carga Q al punto de evaluación de campo E,

$\ Varepsilon_0$ es el constante eléctrica.

La ley de Coulomb es en realidad un caso especial de la ley de Gauss , una descripción más fundamental de la relación entre la distribución de la carga eléctrica en el espacio y el campo eléctrico resultante. La ley de Gauss es una de las ecuaciones de Maxwell , un conjunto de cuatro leyes que rigen el electromagnetismo.

Campos variables en el tiempo

Los cargos no sólo producen campos eléctricos. A medida que avanzan, que generan campos magnéticos, y si el campo magnético cambia, genera campos eléctricos. A cambio campo magnético da lugar a un campo eléctrico,

$\ Mathbf {E} = - \ nabla \ phi - \ frac {\ partial \ mathbf {A}} {\ t parcial}$

que los rendimientos Ley de Faraday,

$\ Nabla \ times \ mathbf {E} = - \ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ t parcial}$

donde

$\ Nabla \ times \ mathbf {E}$ indica el enrollamiento del campo eléctrico,

$- \ Frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ t parcial}$ representa la tasa de disminución del vector campo magnético con el tiempo.

Esto significa que una campo magnético variable en el tiempo produce un campo eléctrico encrespado, posiblemente también el cambio en el tiempo. La situación en la que los campos eléctricos o magnéticos cambian con el tiempo ya no es electrostática, sino más bien electrodinámica o electromagnetismo .

Propiedades (en la electrostática)

Ilustración del campo eléctrico que rodea a un positivo (rojo) y A (verde) carga negativa.

Según la ecuación (1) anterior, campo eléctrico depende de la posición. El campo eléctrico debido a una sola carga se cae con el cuadrado de la distancia desde ese cargo.

Los campos eléctricos siguen el principio de superposición. Si más de una carga está presente, el campo eléctrico total de en cualquier punto es igual a la suma vectorial de los respectivos campos eléctricos que cada objeto que crearía en ausencia de los otros.

$\ Mathbf {E} _ {\ rm totales} = \ sum_i \ mathbf {E} _i = \ mathbf {E} _1 + \ mathbf {E} _2 + \ mathbf {E} _3 \ ldots \, \!$

Si este principio se extiende a un número infinito de infinitesimalmente pequeños elementos de cargo, los siguientes resultados de la fórmula:

$\ Mathbf {E} = \ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon_0} \ int \ frac {\ rho} {r ^ 2} \ mathbf {\ hat {r}} \, \ mathrm {d} V$

donde

$\ Rho$ es el densidad de carga, o la cantidad de carga por unidad de volumen .

El campo eléctrico en un punto es igual a la negativa gradiente de la potencial eléctrico allí. En símbolos,

$\ Mathbf {E} = - \ nabla \ phi$

donde

$\ Phi (x, y, z)$ es el campo escalar que representa el potencial eléctrico en un punto dado.

Si varios cargos distribuidos espacialmente generan tal potencial eléctrico, por ejemplo, en un sólido , una gradiente de campo eléctrico también se puede definir.

Teniendo en cuenta la permitividad $\ Varepsilon$ de un material, que puede diferir de la permitividad del espacio libre $\ Varepsilon_ {0}$ , La Densidad de flujo eléctrico es:

$\ Mathbf {D} = \ varepsilon \ mathbf {E}$

Energía en el campo eléctrico

El campo eléctrico almacena energía. La densidad de energía del campo eléctrico está dada por

$u = \ frac {1} {2} \ varepsilon | \ mathbf {E} | ^ 2$

donde

$\ Varepsilon$ es el permitividad del medio en el que el campo existe

$\ Mathbf {E}$ es el vector de campo eléctrico.

Por tanto, la energía total almacenada en el campo eléctrico en un volumen dado V es

$\ Int_ {V} \ frac {1} {2} \ varepsilon | \ mathbf {E} | ^ 2 \, \ mathrm {d} V$

donde

$\ Mathrm {d} V$ es el elemento de volumen diferencial.

Los paralelismos entre la electrostática y la gravedad

La ley de Coulomb , que describe la interacción de cargas eléctricas:

$\ Mathbf {F} = \ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon_0} \ frac {Qq} {r ^ 2} \ mathbf {\ hat {r}} = q \ mathbf {E}$

es similar a La ley de Newton de la gravitación universal:

$\ Mathbf {F} = G \ frac {Mm} {r ^ 2} \ mathbf {\ hat {r}} = m \ vec {g}$

Esto sugiere similitudes entre el campo eléctrico $E$ y el campo gravitacional $g$ , Así que a veces la masa se llama "carga gravitacional".

Las similitudes entre las fuerzas electrostáticas y gravitatorias:

Ambos actúan en el vacío.
Ambos son central y conservador.
Tanto obedecer una ley del cuadrado inverso (ambos son inversamente proporcionales al cuadrado de r).
Tanto propagarse con velocidad finita c.

Las diferencias entre las fuerzas electrostáticas y gravitatorias:

Las fuerzas electrostáticas son mucho mayores que las fuerzas gravitatorias (en alrededor de 10 ³⁶ veces).
Las fuerzas gravitacionales son atractivos de los cargos como, mientras que las fuerzas electrostáticas son repulsivas de los cargos como.
No se aplica recargo gravitacionales negativos (sin masa negativa), mientras que hay dos cargas eléctricas positivas y negativas. Esta diferencia combinada con anterior implica que las fuerzas gravitatorias son siempre atractivas, mientras que las fuerzas electrostáticas pueden ser atractiva o repulsiva.
La carga eléctrica es invariante mientras masa relativista no es.

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