h) Campo Eléctrico y Campo Gravitatorio

Las fuerzas se clasifican en dos grandes grupos:

a) Fuerzas por contacto:  por ejemplo la fuerza normal, fuerza de rozamiento, tensión, fuerza elástica, fuerza  realizada al empujar un objeto, etc. Existe un contacto físico entre el que ejerce la fuerza y el que la recibe.

b) Fuerzas de acción a distancia:  por ejemplo las fuerzas gravitatorias, eléctricas y magnéticas. No hay un contacto físico entre el que ejerce y recibe la fuerza.
Actualmente, los físicos utilizan el concepto de campo para explicar cómo actúan todas estas fuerzas a distancia. Surgen así, los conceptos de campo gravitatorio, campo eléctrico y campo magnético.

Concepto general de campo:

Un campo es una región del espacio en la que se le asigna a cada uno de sus puntos un valor, ya sea escalar o vectorial.
Por ejemplo, en la siguiente figura se muestra un mapa de isobaras en un determinado instante. Se utiliza para la predicción del tiempo y es una representación gráfica de la presión atmosférica en cada punto del espacio, es decir, del campo de presiones. Las líneas unen los puntos que tienen el mismo valor de presión.

Existe un tipo particular de campo llamado campo de fuerzas. Aunque Newton descubrió la fuerza gravitatoria, no supo explicar cómo se transmitía de un cuerpo a otro, es decir, quedó planteada la interrogante de cómo surgen las fuerzas de acción a distancia.
Para resolver esta cuestión, los físicos introducen el concepto de campo de fuerzas, desarrollado en el siglo XIX por Faraday y Maxwell, y perfeccionado posteriormente por Einstein en el siglo XX.

Un campo de fuerzas es una región del espacio cuyas propiedades se ven alteradas por la presencia de un cuerpo que puede originar interacciones a distancia. A cada punto del espacio se le asigna un valor.

Dicho de otro modo, si un cuerpo X provoca a su alrededor una alteración en las propiedades del medio y es capaz de generar fuerzas a distancia sobre otros cuerpos, concluimos que  en dicha zona, existe un campo de fuerzas generado por el cuerpo X.  Ejemplos de campos de fuerza son los campos gravitatorios, campo eléctrico.

Aunque Faraday y Maxwell elaboraron su teoría para explicar la interacción electromagnética, sus ideas son extensibles al caso de los campos gravitatorios.

Campo gravitatorio

Definimos campo gravitatorio, como la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener masa.

Es decir, todo cuerpo de masa  m genera a su alrededor un campo gravitatorio que a su vez, le ejerce una fuerza a distancia a otro objeto cercano.

Por lo tanto, los campos gravitatorios permiten explicar la acción a distancia de la siguiente manera:

a) Un cuerpo de masa m genera un campo gravitatorio a su alrededor.
b) Al colocar otro cuerpo, este recibe una fuerza gravitatoria. Es el campo gravitatorio el responsable de dicha fuerza de atracción a distancia, actuando de intermediario entre los cuerpos.

En el ejemplo de la figura, la Tierra actúa como masa testigo o de prueba. Como sobre ella actúa una fuerza gravitatoria, se concluye que está en un campo gravitatorio.

¿Cómo se mide el  campo gravitatorio en un punto?

Supongamos que se tiene una masa m generadora de un campo gravitatorio y colocamos una masa de prueba mᛍ relativamente cerca.

Para cuantificar el campo gravitatorio en un lugar e instante determinado,  se utilizan dos magnitudes:

a) Intensidad del campo gravitatorio: g

g→=F→gm'

g:  también se le llama aceleración gravitatoria, magnitud vectorial (N/kg  o  m/s2)
Fg: fuerza gravitatoria que actúa sobre la carga de prueba (N)
mᛍ: masa de la carga de prueba (kg)


b) Potencial gravitatorio: V


El potencial gravitatorio es una magnitud escalar, que se determina como la energía potencial gravitatoria que tiene la masa de prueba por estar en ese lugar, por unidad de masa.


Ep'
V=Epm'

• V es el potencial gravitatorio en un punto del campo gravitatorio. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el joule por kilogramo (J/kg)
• Ep es la energía potencial gravitatoria que adquiere una partícula testigo m' al situarla en ese punto.

Comparación entre la Fuerza eléctrica y la Fuerza gravitatoria

Campo Eléctrico

Observa los videos y contesta las siguientes preguntas:

Primer video


1) Explica la definición de campo eléctrico que aparece en el primer video.

Segundo video


2) Dibuja las líneas de campo explicado en el segundo video para: a) una carga positiva b) una carga negativa c) un dipolo d)  dos cargas positivas separadas cierta distancia. e) dos cargas negativas separadas cierta distancia.

Tercer video


3)  En una determinada zona se coloca una carga de prueba y se observa que sobre ella actúa una una fuerza de origen eléctrico. a) ¿Qué conclusiones puedes sacar? b) Si se retira la carga de prueba de ese lugar ¿qué sucede?

4) Realiza la deducción matemática de la ecuación que permite calcular el campo eléctrico en un punto P separado una distancia d de una carga q.

5) Explica por qué las líneas de campo eléctrico o líneas de fuerza no pueden cortarse.

6) Se tienen dos cargas de distinto signo separadas cierta distancia. El valor de la carga positiva es el doble que el de la carga negativa. a) Realiza la representación de las líneas de fuerza. b) Considera un punto A cercano a la distribución de cargas y representa el campo eléctrico generado por cada carga así como también el campo resultante en A. c) ¿Cómo es la dirección del campo resultante con respecto a la línea de fuerza que pasa por él?

7) En un determinado lugar existe un campo eléctrico no uniforme. Realiza un esquema de líneas de fuerza, que muestre que el campo es mayor en una zona que en otra. 

8) Se tiene un campo eléctrico constante cuyas líneas de fuerza son verticales hacia arriba. Se coloca una carga positiva en un determinado lugar. a) Representa los vectores fuerza eléctrica y campo eléctrico sobre la carga. b) Repite a) pero coloca ahora una carga negativa.

9) Realiza los dos primeros ejercicios que aparecen en el video en tu cuaderno. Utiliza criterio de cifras significativas y análisis dimensional.