Fundamentos de Electrostática: Flujo Eléctrico, Ley de Gauss y Potencial

1. Flujo Eléctrico

1.a. ¿Qué es el flujo eléctrico uniforme? ¿Cómo se produce?

Un campo constante tiene el mismo módulo, dirección y sentido en cualquier punto; su intensidad es uniforme. Por ejemplo, entre dos placas cargadas eléctricamente con signos opuestos se crea un campo eléctrico; las placas deben tener cargas de igual magnitud con signos opuestos para generar dicho campo uniforme.

1.b. ¿Cuál es la normal en una superficie?

Es simplemente una línea que apunta de manera perpendicular al plano.

1.c. ¿Qué es el flujo eléctrico?

Es una magnitud escalar que representa el número de líneas de campo que atraviesan una superficie.

• Fórmulas: Φ_E = E · S ; Φ_E = E · S · cos(α)
• Unidades: N · m²/C

1.d. ¿Cuándo el flujo es máximo? ¿Cuánto vale el flujo eléctrico al ser mínimo y por qué?

Es mayor cuantas más líneas atraviesen el plano. El flujo es mínimo (nulo) cuando ninguna línea lo atraviesa, lo cual ocurre cuando el ángulo es de 90°.

2. Ley de Gauss

2.a. ¿Qué es la Ley de Gauss y qué enuncia?

Es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell, que relacionan el campo eléctrico con sus fuentes. Afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga que hay en el interior de dicha superficie dividido entre ε₀.

2.b. ¿Cuál es su expresión matemática?

Φ_E = q / ε₀

2.c. ¿Si no hay cargas dentro de una superficie gaussiana, qué dice la Ley de Gauss?

La Ley de Gauss establece que cuando no hay carga neta dentro de una superficie gaussiana, el flujo eléctrico es cero.

2.d. ¿Qué tipo de formas puede tener una superficie gaussiana?

Pueden tener cualquier forma, siempre que sea cerrada; sin embargo, se recomienda elegir siempre formas simétricas.

2.e. ¿Cuáles son las aplicaciones de la Ley de Gauss?

• Distribución de la carga en un conductor cargado.
• Determinación del campo eléctrico generado por objetos cargados.
• Campo eléctrico entre láminas paralelas.

3. Energía y Potencial Eléctrico

3.a. Energía potencial eléctrica

Es la energía que posee una carga eléctrica por su posición en el campo en relación con otra u otras cargas; permite el movimiento de las cargas eléctricas dentro del campo.

3.b. ¿Cuándo una carga eléctrica gana o pierde energía potencial eléctrica?

La carga de prueba disminuye su energía potencial eléctrica cuando se separan dos cargas del mismo signo o cuando se acercan dos cargas de signos distintos.

3.c. ¿Qué es el potencial eléctrico?

Es el trabajo realizado en contra de las fuerzas eléctricas para transportar una carga positiva desde afuera del campo (en el infinito) hasta dicho punto.

• Enunciado: V = W / q₀
• Unidad: Voltio (V)

3.d. ¿Cuál es la expresión del potencial eléctrico producido por una carga puntual?

V = k · q / r

3.e. ¿Cómo se calcula el potencial eléctrico generado por varias cargas puntuales?

V_A = V₁ + V₂ + V₃... → V_A = (k · q₁ / r₁) + (k · q₂ / r₂) + (k · q₃ / r₃)...

3.f. ¿Qué es la diferencia de potencial?

La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos A y B de un campo eléctrico es el trabajo por unidad de carga que realiza un agente externo para llevar una carga positiva desde A hasta B. Su fórmula es V_B - V_A.

3.g. ¿Cómo se interpreta físicamente el voltaje o tensión?

El voltaje es un fenómeno que permite el movimiento de cargas. Para que exista este movimiento, se debe realizar un trabajo y, por lo tanto, debe existir potencial eléctrico o una diferencia de potencial.