TALLER: REPRESENTACIONES GRÁFICAS DEL CAMPO ELÉCTRICO APOYADAS EN EL APPLET ELECTROSTATICS SIMULATION
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA NACIONAL
FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
SEMINARIO DE
INVESTIGACIÓN IV
TALLER: REPRESENTACIONES
GRÁFICAS DEL CAMPO ELÉCTRICO APOYADAS EN EL APPLET ELECTROSTATICS SIMULATION
PRESENTADO POR: Rafael Antonio Bejarano Garnica
E-mails: dfi_rabejaranog448@pedagogica.edu.co
raf.bej.091@gmail.com
Resumen:
La presente propuesta está pensada como taller introductorio a la idea de campo electrostático y la representación de este por medio de líneas de campo, se mencionan las reglas para dibujar e interpretar dichas representaciones, reforzando estas ideas con el uso de un applet desarrollada en Java llamada Electristatics Simulation que permite visualizar configuraciones electrostáticas predefinidas mostrando imágenes interactivas donde se pueden visualizar las representaciones vectoriales y de líneas de campo para cada configuración.
Introducción:
En nuestra vida cotidiana se suele pensar que para ejercer una fuerza sobre un cuerpo se intuye que es necesario hacer contacto con dicho cuerpo, existen muchas situaciones que respaldan la idea anterior por ejemplo, cuando se empuja un vehículo que no funciona correctamente, la fuerza que un raqueta aplica sobre una pelota, un utilizar una escoba, todas estas son fuerzas de contacto entre muchas otras situaciones, sin embargo existen situaciones en las que la interacción entre dos cuerpos se dan excluyendo el contacto, este tipo de interacciones son denominadas interacciones a distancia.
Algunos ejemplos de interacciones a distancia pueden ser la interacción gravitacional entre la tierra y el sol, la tierra y la luna cabe mencionar que las interacciones a distancia no son únicas de las interacciones gravitacionales, en el caso de las interacciones magnéticas y/o electrostáticas, siendo estas últimas nuestro centro de estudio.
Un ejemplo de interacción a distancia en la electrostática puede ser el caso en el que dos cargas eléctricas interactúan, (ver Imagen 1 y 2). En las imágenes 1 y 2 tenemos dos casos en donde en cada una interactúan dos cargas eléctricas, en el caso de la imagen 1 tenemos dos cargas negativas separadas una distancia d, al interactuar eléctricamente estas cargas experimentan un fuerza eléctrica de repulsión según los conocimientos previos que se piensa deberían las personas que tomen este taller, en la imagen dos tenemos dos cargas eléctricas de naturaleza opuesta separadas una distancia d, en este caso las fuerzas eléctricas resultantes son de carácter atractivo, así como en las situaciones mencionadas en el párrafo anterior las fuerzas eléctricas resultantes señaladas en rojo son ejercidas en la ausencia de contacto ya que se encuentran separadas.
Imagen 1
Imagen 2
Para continuar y propiciar el cumplimiento de los objetivos de aprendizaje es necesario definir algunos conceptos que serán utilizados a lo largo del taller:
Carga Eléctrica: Es la carga eléctrica a la que se le atribuye el generar un campo eléctrico o de impregnar el espacio circundante y así afectar una carga de prueba, la unidad de medida es el Coulomb (c).
Carga de Prueba: Es una carga muy pequeña en comparación a la magnitud de la carga fuente, la magnitud de la carga de prueba debe ser muy pequeña para no afectar de manera considerable el campo generado por la carga fuente, la unidad de medida es el Coulomb (c).
Campo Eléctrico (E): Es una abstracción, una idea que permite explicar interacciones electrostáticas a distancia, el campo eléctrico en cualquier punto del espacio se define como como el cociente entre la fuerza ejercida sobre una carga de prueba positiva y la magnitud de la carga de prueba E=F/Q, la unidad de medida en el Sistema Internacional es el Newton por Coulomb N/c
Líneas de Campo eléctrico: También llamadas líneas de fuerza eléctrica son líneas imaginarias que ayudan a visualizar como va variando la dirección del campo eléctrico al pasar de un punto en el espacio a otro.
La idea de una fuerza que actúa a distancia no fue fácil para los pensadores antiguos. Newton mismo se sintió incomodo con la idea cuando publicó su ley de atracción universal. Las dificultades conceptuales se pueden superar con la idea de campo, desarrollada por el científico inglés Michael Faraday (1791 – 1867). En el caso eléctrico, según Faraday, un campo eléctrico se extiende hacia afuera desde cualquier carga e impregna todo el espacio (figura 16-19). Cuando se coloca una segunda carga cerca de la primera, percibirá una fuerza debida a la presencia del campo eléctrico (digamos, en el punto P de la figura 16-19). Se considera que el campo eléctrico en el lugar de la segunda carga interactúa directamente con esta carga para producir la fuerza. Sin embargo, observe que un campo no es una especie de materia.
“Si el campo eléctrico es “real” y verdaderamente
existe, es una cuestión filosófica y hasta metafísica.
En física es una idea muy útil, un gran invento de la mente humana”
Fragmento tomado de: Física, Principios con Aplicaciones, Douglas C. Giancoli, Cuarta Edición, Pags. 464, 465.
Cabe mencionar que el campo es una idea utilizada para explicar interacciones a distancia, en este caso interacciones electrostáticas, el campo se podría pensar como un ente no material sino una abstracción de un ejercicio mental, sin embargo hay montajes experimentales en los que se logran “visualizar” las líneas de campo, en el siguiente link encuentran un video en donde se realizan algunas prácticas de laboratorio que ayuda a hacerse una idea de las líneas de campo eléctrico https://www.youtube.com/watch?v=HvnfA_ZuyBs.
En lo que sigue se entra a mencionar los criterios que se deben tener en cuenta para la representación e interpretación de las líneas de campo eléctrico, con algunos ejemplos de la representación de líneas de campo en configuraciones electrostáticas:
Teniendo en cuenta que el campo eléctrico es una magnitud vectorial este se podría representar en cada punto del espacio con una flecha que apunte a la dirección del campo eléctrico, la longitud de esa flecha es proporcional a la magnitud del campo, si se usara esta representación que no es errónea tendríamos un gráfico parecido al que se muestra en la imagen 3, el uso de demasiadas flechas puede dar pie a confusiones además de ser poco práctico en el momento de construir o interpretar dicha representación.
En la imagen 3 tenemos una carga fuente negativa en el caso a y el caso b, esta carga fuente genera un campo eléctrico cuya dirección es radial y hacia adentro de la carga fuente, en el caso a tenemos la representación vectorial del campo eléctrico, las flechas mas cercanas a la carga fuente apuntan al centro de la carga fuente y son de mayor longitud que las flechas que están a una distancia mayor de la carga fuente describiendo de esta manera la dirección y la magnitud del campo en diferentes puntos del espacio. Por otro lado en el caso b, tenemos la misma configuración de carga fuente, en lo que esta representación varia con respecto de a, es que ya no es una representación vectorial, en este caso se han usado las líneas de campo para representar el campo eléctrico, la dirección del campo eléctrico en este caso va a ser tangente a las líneas de campo o paralela cómo en este caso, la magnitud del campo eléctrico estaría relacionada con la cantidad de líneas de campo que se dibujen por unidad de área, es decir a mayor número de líneas de campo mayor será la intensidad del campo eléctrico.
Imagen 3
El anterior fue el caso para una carga fuente, sin embargo, existen distribuciones electrostáticas en las que el campo eléctrico no es generado por una sola carga, podríamos tener dos o más cargas positivas, dos o más cargas negativas, una o más cargas negativas con una o mas cargas positivas y cualquier otra combinación posible. En las imágenes 4, 5, 6 y 7 se muestran algunos ejemplos de como se configuran líneas de campo.
Imagen 4
En la imagen 4 se encuentran 3 representaciones de las líneas de campo eléctrico, de izquierda a derecha en el orden que se describe a continuación:
Una carga fuente negativa donde las líneas de campo eléctrico tienen una dirección radial hacia el centro de la carga negativa como en el caso de todas las cargas negativas, también reciben el nombre de sumideros.
Una carga positiva en la que las líneas de campo tienen una dirección radial hacia afuera como en el caso de todas las fuentes positivas.
En el extremo de la derecha se muestra una configuración donde están presentes una carga positiva y una carga negativa, las líneas de campo emergen de la carga positiva y convergen en la carga negativa, si tenemos en cuenta la cantidad de líneas que circundan el eje X que sobre el cual se encuentran ubicadas las cargas podemos decir que la densidad de líneas en esta región es mayor a la densidad de líneas de campo que se encuentran en regiones más distantes al eje X, esto nos da cuenta que la intensidad de la fuerza eléctrica es mayor en las regiones donde la densidad de líneas de campo es mayor.
Imagen 5 Imagen 6
En la imagen 5 tenemos nuevamente una configuración en la que se encientan una carga positiva y una carga negativa, similar al caso del extremo derecho de la imagen 4 a diferencia de que en la imagen 5 tenemos un punto P en el que se dibuja una flecha que representa un vector de fuerza eléctrica cuya dirección es tangente a la línea de campo correspondiente.
En la imagen 6 tenemos una configuración en la que se encuentran dos cargas positivas, las líneas de campo emergen de las dos cargas, además es importante que las líneas de campo eléctrico de cada una de estas cargas se extenderán hasta el infinito, pero no se cruzan ni se tocan entre ellas.
En la imagen 7 tenemos el caso de un capacitor de placas paralelas, una placa se encuentra cargada positivamente y la otra placa se encuentra cargada negativamente, las líneas de campo emergen de la carga positiva y llegan a la carga negativa, excluyendo los extremos de las placas podríamos decir que dentro de las placas el campo eléctrico es uniforme, cosa que no pasa en los extremos, por eso allí se dibujan un poco “desviadas” las líneas de campo.
Imagen 7
Las siguientes son las reglas que se deben tener en cuenta para construir representaciones del campo eléctrico mediante líneas de campo:
1. Las líneas de campo indican la dirección del campo eléctrico; el campo apunta en la dirección tangente a las líneas de campo en un punto cualquiera.
2. Las líneas se trazan de modo que la magnitud del campo eléctrico, E, sea proporcional al número de líneas que cruzan el área unitaria perpendicular a las líneas. Mientras más cercanas entre sí estén las líneas, más intenso será el campo.
3. Las líneas de campo eléctrico comienzan en cargas positivas y terminan en cargas negativas; y el número que comienza o termina es proporcional a la magnitud de la carga.
Lo anterior fue una contextualización y repaso de los conocimientos previos que los educandos y educandas podrían necesitar para comprender de mejor manera el aplicativo que será utilizado en este taller.
Descripción del Aplicativo Electrostatics Simulation.
El applet utilizado en este taller se llama Electrostatics Simulation se puede encontrar en el siguiente link http://www.falstad.com/emstatic/index.html , este applet ha sido desarrollado en el lenguaje de programación JAVA, el aplicativo muestra distribuciones electrostáticas y de corriente estática en dos dimensiones.
Cuando se inicia el applet automáticamente verá el campo eléctrico de una sola carga positiva, la carga se puede arrastrar por la pantalla haciendo clic sostenido mientras que al mismo tiempo se arrastra el ratón del PC.
Revise los elementos en la ventana emergente de configuración (Setup) ubicada en la esquina superior derecha, haciendo clic en esta pestaña se despliega una lista en la que encontramos diferentes “experimentos” prediseñados, allí encontramos configuraciones de carga desde dos cargas, dipolo eléctrico, cuadripolo eléctrico hasta cilindros cargados entre muchos otros.
En la pestaña Mause se encuentra una lista de funciones que se pueden hacer con el ratón además de mover los objetos seleccionados se pueden eliminar objetos entre otras funciones.
En la pestaña Show se despliega una lista de las representaciones que deseamos nos muestre el applet, allí podemos elegir que en la pantalla podemos ver representaciones vectoriales y de líneas de campo entre otras, para este taller se manejará principalmente la opción E Lines para que en nuestra pantalla observemos las líneas de campo de la configuración electrostática elegida en la opción Setup o configuración.
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
· Interpretar las representaciones vectoriales y líneas de campo eléctrico generadas por el applet Electrostatics Simulation.
·
Justificación.
En ambientes de no convencionales de educación cómo es el caso de la educación virtual que se ha hecho tan útil en estos tiempos de emergencia por la pandemia de COVID 19 se hace necesario acudir a herramientas virtuales como los applets para fortalecer los procesos de enseñanza aprendizaje.
En este caso, teniendo en cuenta que el aislamiento social hace parte de los cuidados que deben tener las personas para el cuidado de la salud el trabajo en el laboratorio se hace casi que imposible por esta razón los aplicativos que logran un dar un acercamiento a la “experiencia” desde la virtualidad hace que el uso de estas herramientas didácticas sea pertinente en el campo de la educación.
Desarrollo de Actividades.
Las actividades propuestas para desarrollar durante el taller son las siguientes:
1. Consultar el consolidado teórico que se encuentra al inicio del taller y que hacen parte de los conocimientos previos considerados para el desarrollo del presente taller.
2. Hacer un recorrido por el aplicativo que permita reconocer las opciones que este brinda y así facilitar el uso del applet por parte de las educandas y los educandos.
3. Ir al aplicativo que se encuentra en el apartado Descripción del Aplicativo, seleccionar en la pestaña Setup la opción Dipole Charge, en la pestaña Show seleccionar primero la opción Electric Field (la pantalla mostrara la representación vectorial del campo eléctrico generada por un dipolo eléctrico), en un segundo momento cambie la selección en la pestaña Show a E Lines (la pantalla mostrara la representación del campo eléctrico con líneas de campo) analice las dos representaciones (vectorial y líneas de campo), ahora describa las dos situaciones teniendo en cuenta las reglas para construir representaciones de campo eléctrico.
4. Elija una de las cargas del Dipole Charge y arrástrela a una posición diferente a la preestablecida, ¿qué ocurre con los vectores y las líneas de campo? Realice una búsqueda bibliográfica donde encuentre una relación entre el principio de simetría y las configuraciones electrostáticas para explicar lo ocurrido.
5. Repita el procedimiento del seleccionando en la pestaña Setup la opción Quadrupole Charge.
Evaluación.
Los análisis realizado par las educandas y los educandos debe ser enviado al docente para hacer la respectiva revisión, en la medida de lo posible se acordará una reunión virtual para socializar las observaciones hechas por parte del docente resaltando los aciertos y aclarar posibles errores conceptuales que produzcan una lectura “errada” de las representaciones del campo eléctrico.
Referencias:
Física, Principios con Aplicaciones, Douglas C. Giancoli, Cuarta Edición
http://www.falstad.com/emstatic/index.html
https://valegonz.wordpress.com/electrostatica-3/campos-y-potencial-electricos/
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