Práctica de Electrostática: Cargas y Campos

Introducción

En el entorno industrial, la electrostática suele percibirse de dos formas: como una herramienta poderosa o como un riesgo latente. Procesos como la pintura electrostática (usada en la industria automotriz), la impresión láser y los precipitadores electrostáticos para filtrar gases en chimeneas, dependen de la manipulación precisa de campos eléctricos.

Por otro lado, la acumulación de carga estática representa un peligro severo en plantas que manejan combustibles, polvos inflamables o componentes electrónicos sensibles. Entender cómo se distribuye un campo eléctrico y cómo se comporta el potencial (voltaje) alrededor de una carga no es solo teoría física; es la base para diseñar sistemas de seguridad, apantallamiento y conexión a tierra.

Esta práctica utiliza simulación computacional para visualizar estos “campos invisibles”, permitiendo observar fenómenos que son imposibles de ver a simple vista, validando las leyes fundamentales de Coulomb y la Superposición.

Objetivos

Objetivo General

Analizar el comportamiento del campo eléctrico y el potencial eléctrico generado por distribuciones de cargas puntuales.

Objetivos Específicos

  • Comprobar experimentalmente que la intensidad del campo eléctrico disminuye con el cuadrado de la distancia (\(1/r^2\)).
  • Observar cómo interactúan los campos de múltiples cargas (dipolos) y cómo se suman vectorialmente.
  • Entender el concepto de voltaje (potencial) y su relación geométrica con las líneas de campo eléctrico.

Fundamentos Teóricos

El Campo Eléctrico (\(\vec{E}\))

Una carga eléctrica modifica el espacio que la rodea. El campo eléctrico se define como la fuerza por unidad de carga y, para una carga puntual \(Q\), su magnitud es:

\[ E = k \frac{|Q|}{r^2} \]

Donde \(k \approx 9.0 \times 10^9 \, \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2\). La dirección del campo es radial hacia afuera para cargas positivas y hacia adentro para negativas.

Potencial Eléctrico (\(V\))

El potencial eléctrico es una medida escalar de la energía por unidad de carga en un punto del espacio. A diferencia del campo (que es un vector), el potencial se suma aritméticamente. Las líneas donde el potencial es constante se llaman líneas equipotenciales.

\[ V = E \cdot r \]

Las líneas de campo eléctrico siempre son perpendiculares a las líneas equipotenciales y apuntan hacia donde disminuye el potencial.

Materiales

  • Computadora o Tablet con acceso a internet.
  • Simulador PhET: Charges and Fields (Cargas y Campos).

Procedimiento

Parte 1: El Campo de una Carga Puntual (Ley de Coulomb)

  1. Inicie el simulador y active las casillas: Campo eléctrico, Valores, Grilla y Dirección solamente (si desea ver flechas más claras).
  2. Arrastre una carga positiva de +1 nC al centro de la pantalla (intersección de dos líneas mayores de la cuadrícula).
  3. Utilice la herramienta Sensor de Campo (punto amarillo) para medir la intensidad del campo eléctrico (\(E\)) a diferentes distancias.
    • Nota: Use la herramienta de “Cinta métrica” para medir la distancia (\(r\)) desde el centro de la carga hasta el sensor.
  4. Tome al menos 3 mediciones a distancias diferentes (ej. 1m, 2m, 3m) manteniendo la alineación horizontal o vertical.

Parte 2: Interacción de Dos Cargas (Dipolo Eléctrico)

  1. Reinicie el simulador.
  2. Coloque una carga de +1 nC y una de -1 nC separadas por una distancia de 2 metros (2 cuadros grandes de la grilla) sobre la misma línea horizontal.
  3. Observe el patrón de las flechas del campo eléctrico.
  4. Mida el campo eléctrico (\(E\)) justo en el punto medio entre las dos cargas.
  5. Mida el campo eléctrico en un punto externo, alineado con las cargas.

Parte 3: Potencial y Líneas Equipotenciales

  1. Mantenga la configuración del dipolo (+1 nC y -1 nC).
  2. Utilice la herramienta de Potencial (el visor con la mira) que muestra el voltaje.
  3. Mueva el sensor alrededor de la carga positiva hasta encontrar un punto donde el voltaje sea aprox. 10 V. Haga clic en el botón del “Lápiz” para dibujar la línea equipotencial.
  4. Repita para dibujar líneas de 5 V, 0 V, -5 V y -10 V.
  5. Observe la relación geométrica entre estas líneas curvas y las flechas del campo eléctrico.

Cálculos y Resultados

Tabla 1: Variación del Campo con la Distancia

Utilice la siguiente tabla para escribir los valores del procedimiento en su parte 1.

Distancia \(r\) (m) Campo Medido \(E_{sim}\) (V/m) Campo Teórico \(E_{calc}\) (V/m) % Error
1.0
2.0
3.0

Fórmula de cálculo: \(E_{calc} = (9 \times 10^9) \cdot \frac{1 \times 10^{-9}}{r^2}\)

Tabla 2: Campo en el Dipolo

Utilice la siguiente tabla para escribir los valores del procedimiento en su parte 2.

Punto de Medición Campo Medido (V/m) ¿Hacia dónde apunta? (Izq/Der)
Punto Medio
1m a la derecha de la carga negativa

Preguntas Complementarias

  1. Basado en la Tabla 1, si duplicamos la distancia a la carga, ¿el campo eléctrico se reduce a la mitad? Explique usando sus datos si la relación es lineal o exponencial.
  2. En la Parte 2 (Dipolo), el campo en el centro no es cero, a pesar de estar equidistante de ambas cargas. Explique por qué ocurre esto basándose en la naturaleza vectorial del campo (¿se suman o se restan las flechas?).
  3. Imagine que las líneas equipotenciales son curvas de nivel en un mapa topográfico. Si una carga positiva “cae” desde un potencial alto a uno bajo, gana energía cinética. ¿En qué zona del dipolo aceleraría más rápido una partícula? (Pista: donde las líneas equipotenciales están más juntas).
  4. Observe las líneas equipotenciales que dibujó en la Parte 3. ¿Qué ángulo forman siempre con las flechas del campo eléctrico cuando se cruzan?