Ángel Amores Docencia

20356 · Fundamentos de Instalaciones

El campo de una esfera por capas

La ley de Gauss dice que, para el campo en un punto, solo cuenta la carga que queda encerrada. Monta la esfera capa a capa y comprueba qué campo resulta.

§1 — La ley de Gauss

La ley de Gauss relaciona el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada con la carga que esa superficie encierra. No importa cómo esté repartida esa carga, ni si hay más cargas fuera: al flujo total solo contribuye la carga encerrada.

Flujo del campo eléctrico: $$\Phi_E = \oint_S \vec{E}\cdot d\vec{A} = \frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$$

Cuando el problema tiene simetría esférica, el campo es radial y su módulo depende solo de la distancia al centro. Si se toma como superficie gaussiana una esfera de radio \(r\), el campo es constante sobre ella y perpendicular en cada punto, así que el flujo vale simplemente \(E(r)\cdot 4\pi r^2\). Despejar el campo es inmediato:

Campo con simetría esférica: $$E(r) = \frac{Q_{\text{enc}}(r)}{4\pi\varepsilon_0 r^{2}}$$

De aquí salen los tres resultados que se usan en clase: dentro de un conductor en equilibrio el campo es nulo y la carga se reordena en sus superficies; dentro de un aislante cargado el campo crece según se va acumulando carga; y fuera de todo el conjunto el campo es el de una carga puntual con la carga total.

§2 — Laboratorio

Monta la esfera de dentro hacia fuera. Cada capa puede ser vacío, un aislante con densidad de carga \(\rho\) uniforme, o un conductor con carga total \(Q\). Mueve después la superficie gaussiana para leer, a cada radio, la carga encerrada, el flujo y el campo.

Casos típicos

    Superficie gaussiana

    1.00 m
    Región
    Qenc
    ΦE
    E(r)

    Sección por el centro de la esfera

    • Carga +
    • Carga −
    • Conductor
    • Superficie gaussiana

    §3 — Solución analítica

    Estas son las expresiones de \(E(r)\) región por región para la esfera que has montado, escritas con símbolos y no con los valores numéricos: es la forma en que se resuelve el problema en el examen. La región donde está ahora la superficie gaussiana aparece resaltada.