Campos vectoriales

Y teoría electrostática

Unidad 4. 

Ecuaciones de campo

Las ecuaciones de campo son de enorme riqueza en términos de la experimentación tecnológica sobre fenómenos electromagnéticos, están intrínsecamente en las ecuaciones de Maxwell. Ayudan a la determinación de la Ley de Coulomb para fuerzas entre cargas; en la investigación de Amper en la interacción de corrientes y en la observación de Faraday de campos variables. 

En las ecuaciones de Maxwell, encontraran dos tipos de campo eléctrico: El campo electrostático producido por la carga eléctrica y el campo eléctrico inducido, producido por un campo magnético variable. La ley de Gauss para campos eléctricos se ocupa del campo electrostático, y usted encontrará que esta ley puede ser una herramienta de gran alcance, ya que se relaciona el comportamiento espacial del campo electrostático con la distribución de carga que lo produce.

4.1 La forma integral de la ley de Gauss

Hay muchas maneras de expresar la ley de Gauss, y aunque la notación difiere entre los libros de texto, la forma integral en general se escribe así:

La ley de Gauss para campos eléctricos (forma integral).

Donde:

Esta integral es sobre una superficie cerrada. Nos dice para resumir las contribuciones de cada parte de la superficie.

Es una integral de superficie (no un volumen o una línea integral).

Es el vector de campo eléctrico.

 Es el producto interno o punto en [N/C].

Vector unitario normal a la superficie.

Da un incremento infinitesimal de superficie dada en metros cuadrados.

q Cantidad de carga en coulombs.

enc  Refiere a carga uniforme encerrada.  

Constante de permitividad en el espacio libre.

El lado izquierdo de esta ecuación no es más que una descripción matemática del flujo eléctrico - el número de líneas del campo eléctrico - que pasa a través de una superficie cerrada S, mientras que el lado derecho es la cantidad total de carga contenida dentro de esa superficie dividida por una constante llamada permitividad del espacio libre.

La carga eléctrica produce un campo eléctrico, y el flujo de ese campo que pasa a través de cualquier superficie cerrada es proporcional a la carga total contenida dentro de esa superficie.

En otras palabras, si usted tiene una superficie cerrada real o imaginaria de cualquier tamaño y forma y no hay ninguna carga dentro de la superficie, el flujo eléctrico a través de la superficie debe ser cero. Si se va a colocar un poco de carga positiva en cualquier lugar dentro de la superficie, el flujo eléctrico a través de la superficie sería positivo. Si luego de agregar una cantidad igual de carga negativa dentro de la superficie (lo que la carga total encerrada es cero), el flujo sería otra vez de cero. Recuerde que es la carga neta encerrada por la superficie que importa en la ley de Gauss.

Para ayudarle a entender el significado de cada símbolo en forma integral de la ley de Gauss para campos eléctricos, aquí está una vista ampliada:

¿Cómo es útil la ley de Gauss? Hay dos tipos básicos de problemas que se pueden resolver utilizando esta ecuación:

(1) Teniendo en cuenta la información sobre la distribución de la carga eléctrica, usted puede encontrar el flujo eléctrico a través de una superficie que encierra esa carga.

(2) Teniendo en cuenta la información sobre el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada, se puede encontrar la carga eléctrica total encerrada por esta superficie.

Lo mejor de la ley de Gauss es que para ciertas distribuciones altamente simétricas de cargas, se puede utilizar para encontrar el propio campo eléctrico, y no sólo el flujo eléctrico a través de una superficie.

Aunque la forma integral de la ley de Gauss puede parecer complicada, es totalmente comprensible si se tienen en cuenta los términos de uno en uno. Eso es exactamente lo que encontrará enseguida, empezando por , el campo eléctrico.

Para entender la ley de Gauss, primero hay que entender el concepto de campo eléctrico. En algunos libros de física e ingeniería, no se da una definición directa del campo eléctrico; en su lugar encontrará una declaración de que un campo eléctrico es ''algo que existe'' en cualquier región en la que las fuerzas eléctricas actúan. Pero ¿qué es exactamente un campo eléctrico?

Esta pregunta tiene un profundo significado filosófico, pero no es fácil de responder. Fue Michael Faraday quien primero se refirió a un "campo eléctrico de fuerza'', y James Clerk Maxwell identificó ese campo como el espacio alrededor de un objeto electrificado - un espacio en el que las fuerzas eléctricas actúan.

El hilo conductor de la mayoría de los intentos de definir el campo eléctrico es que los campos y las fuerzas están estrechamente relacionados. Así que aquí está una definición muy pragmática: un campo eléctrico es la fuerza eléctrica por unidad de carga ejercida sobre un objeto cargado. Aunque los filósofos debaten sobre el verdadero significado del campo eléctrico, pueden resolverse muchos problemas prácticos por el pensamiento de que el campo eléctrico en cualquier lugar es el número de newtons de fuerza eléctrica ejercida sobre cada coulomb de carga en ese lugar. Por lo tanto, el campo eléctrico puede ser definido por la relación:

Ec. 4.1

Donde es la fuerza eléctrica sobre una carga pequeña o puntual. Esta definición deja en claro dos características importantes del campo eléctrico:

(1) es una magnitud vectorial con magnitud directamente proporcional a la fuerza y con la dirección dada por la dirección de la fuerza sobre una carga de prueba positiva.

(2)  tiene unidades de newtons por coulomb (N / C), que son las mismas que voltios por metro (V / m), ya que volts=newtons · metros / coulombs.

En la aplicación de la ley de Gauss, a menudo es útil poder visualizar el campo eléctrico en la proximidad de un objeto cargado. El más común de los enfoques para la construcción de una representación visual de un campo eléctrico es usar ya sea flechas o líneas de campo que apuntan en la dirección del campo en cada punto en el espacio. En el enfoque de la flecha, la fuerza del campo está indicada por la longitud de la flecha, mientras que en el enfoque de línea de campo, es la separación de las líneas que le indica la intensidad de campo (con líneas más estrechas que significan un campo más fuerte). Cuando nos fijamos en un dibujo de líneas de campo eléctrico o flechas, asegúrese de recordar que existe el campo entre las líneas también.

Figura 4.1 Ejemplos de campos eléctricos. Recuerde que existen estos campos en tres dimensiones; visualizaciones completas tridimensionales (3-D) están disponibles en el sitio web del libro.

Ejemplo de varios campos eléctricos pertinentes para la aplicación de la ley de Gauss, se muestran en la Figura 4.1. Aquí hay algunas reglas generales que le ayudarán a visualizar y esbozar los campos eléctricos producidos por cargas (también hay los formados por la dinámica de cambios de un campo magnético):

• Líneas de campo eléctrico deberán ser originadas de carga positiva y terminar carga negativa.
• El campo eléctrico neto en cualquier punto es la suma vectorial de todos los campos eléctricos presentes en ese punto.
• Las líneas de un mismo campo eléctrico nunca pueden cruzarse, ya que indicaría que los puntos de campo poseen dos direcciones diferentes en el mismo lugar (si dos o más diferentes fuentes contribuyen campos eléctricos que apuntan en direcciones diferentes en el mismo lugar, el campo eléctrico total es la suma vectorial de los campos individuales, y las líneas de campo eléctrico siempre apuntan en la dirección única del campo total).

Las ecuaciones para el campo eléctrico en las proximidades de algunos objetos simples se pueden encontrar con ecuaciones de la Tabla 4.1.

Tabla 4.1 Ecuaciones de campo eléctrico en objetos simples

Entonces, ¿qué representa el en la ley de Gauss? Representa el campo eléctrico total en cada punto de la superficie bajo consideración. La superficie puede ser real o imaginaria, como se verá cuando lea acerca del significado de la integral de superficie en la ley de Gauss. Pero primero usted debe considerar el producto escalar y la unidad normal que aparece dentro de la integral.

Producto interno

Cuando usted está tratando con una ecuación que contiene un símbolo de multiplicación (un círculo o una cruz), es una buena idea examinar los términos de ambos lados de ese símbolo. Si están impresos en negrita o están usando sombreros vector (como lo son   y   en la ley de Gauss), la ecuación implica multiplicación vectorial, y hay varias maneras diferentes para multiplicar vectores (cantidades que tienen magnitud y dirección) .

En la ley de Gauss, el círculo entre y representa el producto interno (o producto escalar) entre el vector campo eléctrico y el vector normal unitario . Si conoces los componentes cartesianos de cada vector, se puede calcular esto como:

Ec. 4.2

O, si se conoce el ángulo  entre los vectores, puede utilizar

Ec. 4.3

donde y representan la magnitud (longitud) de los vectores. Observe que el producto escalar entre dos vectores da un resultado escalar.

Vector unitario normal

El concepto de vector normal unidad es sencillo; en cualquier punto de una superficie, imagine un vector con longitud uno apuntando en la dirección perpendicular a la superficie. Tal vector , se llama vector unitario normal porque su longitud es la unidad y es normal, o perpendicular a la superficie. La unidad normal para una superficie plana se muestra en la Figura 4.2 (a).

Figura 4.2 Vector normal unitario a un plano y a una superficie esférica.

Ciertamente, se podría haber elegido el vector unitario para el plano de la Figura 4.2 (a) apuntan en la dirección opuesta -no hay diferencia fundamental entre un lado de una superficie abierta y el otro-  recordemos que una superficie abierta es cualquier superficie para la que es posible ir de un lado a otro sin tener que pasar a través de la superficie.

Para una superficie cerrada (que se define como una superficie que divide el espacio en un dentro y un fuera), la ambigüedad en la dirección de la unidad normal se ha resuelto. Por convención, se toma el vector normal como unidad para una superficie cerrada para que apunte hacia el exterior -lejos del volumen encerrado por la superficie-.

Usted debe ser consciente de que algunos autores utilizan la notación un lugar de. En esa notación, la unidad normal se incorpora en la zona vector elemento , que tiene magnitud igual al área y dirección a lo largo de la superficie normal . Así  que y tienen el mismo propósito.

4.1.1 El componente de normal a una superficie

Si usted entiende el producto escalar y el vector unitario normal, el significado de debe ser claro; esta expresión representa el componente del vector de campo eléctrico que es perpendicular a la superficie bajo consideración.

Si el razonamiento detrás de esta afirmación no es evidente para usted, recordar que el producto escalar entre dos vectores tales como y es simplemente la proyección de la primera a la segunda multiplicado por la longitud de la segunda. Recordemos también que, por definición, la longitud de la unidad normales es uno de modo que

Ec. 4.4

donde es el ángulo entre la normal unitaria y . Este es el componente del vector de campo eléctrico perpendicular a la superficie, como se ilustra en la Figura 4.2.

Por lo tanto, si, es perpendicular a , lo que significa que el campo eléctrico es paralelo a la superficie, y . Por lo tanto, en este caso el componente de  perpendicular a la superficie es cero.

A la inversa, si ,   es paralela a , es decir, el campo eléctrico es perpendicular a la superficie, y . En este caso, el componente perpendicular a la superficie es toda la longitud de. 

La importancia del componente de campo eléctrico perpendicular a la superficie se hará evidente si tenemos en cuenta el flujo eléctrico. Para hacer eso, usted debe asegurarse de que entiende el significado de la integral de superficie en la ley de Gauss.

Figura 4.3 Proyección de sobre la dirección de .

4.1.2 La superficie integral

Muchas ecuaciones de la física y la ingeniería - la ley de Gauss entre ellas - implican el área integral de una función escalar o campo vectorial sobre una superficie especificada (este tipo de integral es también llamada  integral de superficie). El tiempo que dedica a la comprensión de esta importante operación matemática se amortizará muchas veces cuando trabajas problemas de mecánica, dinámica de fluidos, y la electricidad y magnetismo.

El significado de la integral de superficie puede entenderse considerando una superficie delgada tal como la mostrada en la Figura 4.4. Imagine que la densidad de área (la masa por unidad de superficie) de esta superficie varía con x y y, y desea determinar la masa total de la superficie. Usted puede hacer esto al dividir la superficie en segmentos de dos dimensiones sobre cada una de las cuales la densidad de área es aproximadamente constante.

Para los segmentos individuales con densidad de área   y el área, la masa de cada segmento es, y la masa de toda la superficie de los segmentos de N está dada por. Como se podrá imaginar, con los segmentos más pequeños de área, más se acerca a la verdadera masa, ya que su aproximación de la constante es más precisa para los segmentos más pequeños. Si deja que el área del segmento dA se aproxime a cero y N se aproxime a infinito, la suma se convierte en la integración, y tenemos que 

.

Esta es el área integral de la función escalar sobre la superficie S. Es simplemente una manera de sumar las contribuciones de pequeñas piezas de una función (la densidad en este caso) para encontrar una cantidad total. Para entender la forma integral de la ley de Gauss, es necesario ampliar el concepto de la integral de superficie a los campos vectoriales, y ese es el tema siguiente.

Figura 4.4 Encontrar la masa de una superficie de densidad variable.

4.1.3 El flujo de un campo vectorial

En la ley de Gauss, la integral de superficie no se aplica a una función escalar (tales como la densidad de una superficie) sino a un campo vectorial. ¿Qué es un campo vectorial? Como su nombre indica, un campo vectorial es una distribución de cantidades en el espacio - un campo - y estas cantidades tienen magnitud y dirección, lo que significa que son vectores. Así que mientras que la distribución de la temperatura en una habitación es un ejemplo de un campo escalar, la velocidad y la dirección del flujo de un fluido en cada punto en una corriente es un ejemplo de un campo vectorial.

La analogía del flujo de un líquido es muy útil para comprender el significado de ''flujo de un campo vectorial”, incluso cuando el vector campo es estático y nada esta realmente fluyendo. Se puede pensar en el flujo de un campo vectorial sobre una superficie como la ''cantidad'' de ese campo que ''fluye'' a través de esa superficie, como se ilustra en la Figura 4.5.

En el caso más simple de un campo vectorial uniforme y una superficie S perpendicular a la dirección del campo, el flujo es definido como el producto de la magnitud del campo y el área de la superficie:

Este caso se ilustra en la Figura 4.5(a). Tenga en cuenta que si es perpendicular a la

superficie, es paralela al vector unitario normal :

Mientras los campos uniformes y las superficies planas son muy útiles para entender el concepto de flujo, muchos problemas electromagnéticos implican campos no uniformes y superficies curvas. Para esos tipos de problemas, necesitará comprender cómo extender el concepto de integral de superficie de campos vectoriales.

Figura 4.5 Flujo de un campo vectorial a través de una superficie.

Figura 4.6 Componente perpendicular de A la superficie. 

Considere una superficie curvada y un campo vectorial que se muestra en la Figura 4.6(a). Imagine que representa el flujo de un fluido real que pasa por una membrana porosa; más tarde se verá cómo esto se aplica al flujo de un campo eléctrico a través de una superficie que puede ser real o puramente imaginaria.

Antes de continuar, usted debe detenerse a pensar un momento sobre cómo puede medir sobre la búsqueda de la tasa del flujo material a través de la superficie S. Usted puede definir ''caudal o flujo'' en algunas formas diferentes, pero le ayudará a enmarcar la cuestión como ''cuántas partículas pasan a través de la membrana por cada segundo".

Para responder a esto, debemos definir como un número con la densidad del líquido (partículas por metro cúbico) por la velocidad del flujo (metros por segundo). Como el producto del número de densidad (un escalar) y la velocidad (vector), debe ser un vector en la misma dirección que la velocidad, con unidades de partículas por metro cuadrado por segundo. Ya que está intentando encontrar el número de partículas por cada segundo que pasa a través de la superficie, el análisis dimensional sugiere que usted multiplique  por  el área de la superficie.

Pero veamos de nuevo la Figura 4.6(a). Las diferentes longitudes de las flechas están pensadas para sugerir que el flujo material no es espacialmente uniforme, lo que significa que la velocidad puede ser mayor o menor en distintas ubicaciones dentro del flujo. Este hecho por sí solo significaría que el material fluye a través de algunas porciones de la superficie a un ritmo superior al de otras partes, pero también se debe tener en cuenta el ángulo de la superficie de la dirección del flujo. Cualquier porción de la superficie precisamente en la dirección del flujo tendrán necesariamente cero partículas por segundo que pasan por ella, ya que las líneas de flujo deben penetrar la superficie para transportar las partículas de un lado a otro. Por lo tanto, usted debe preocuparse no sólo por la velocidad del flujo y el área de cada porción de la membrana, sino también con el componente del flujo perpendicular a la superficie.

Por supuesto, usted sabe cómo encontrar el componente de una perpendicular a la superficie; simplemente el producto dot de entre y , la unidad normal a la superficie. Pero ya que la superficie es curva, la dirección depende de qué parte de la superficie se esté considerando. Para tratar los diferentes (y ) en cada ubicación, debemos dividir la superficie en pequeños segmentos, como se muestra en la Figura 4.6(b). Si se realizan estos segmentos suficientemente pequeños, se puede suponer que ambos y son constantes a lo largo de cada segmento.

Que   representan la unidad normal para el segmento enésimo de la superficie (del área ); el flujo a través del segmento i es , el total es el flujo a través de toda la superficie:

No debe sorprender que si ahora el tamaño de cada segmento tiende a cero, la suma se convierte en la integración del flujo a través de toda la superficie:

Para una superficie cerrada, el símbolo de la integral incluye un círculo:

Este flujo es el flujo de partículas a través de una superficie cerrada S, y la similitud en el lado izquierdo con la ley de Gauss es sorprendente. Sólo tiene que sustituir el campo vectorial con el campo eléctrico , lo que hace las expresiones idénticas.

4.1.4 El flujo eléctrico a través de una superficie cerrada

Sobre la base de los resultados de la sección anterior, usted debe comprender que el flujo de campo vectorial a través de la superficie S se puede determinar mediante las siguientes ecuaciones:

Donde  es uniforme y perpendicular a S

donde es no uniforme y está en ángulo variable con S

Estas relaciones indican que el flujo eléctrico es una cantidad escalar y tiene unidades de campo eléctrico o Vm. Pero la analogía utilizada en la sección anterior significa que el flujo eléctrico debe ser pensado como un flujo de partículas y, ¿el campo eléctrico es el producto de una densidad y velocidad?

La respuesta a esta pregunta es ''absoluta''. Recuerde que cuando usted emplea una analogía física, está esperando aprender algo acerca de las relaciones entre las cantidades, no acerca de las cantidades que ellas mismas son.

Así, puede encontrar el flujo eléctrico integrando el componente normal del campo eléctrico sobre una superficie, pero usted no debe pensar en el flujo eléctrico como el movimiento físico de las partículas.

¿Cómo debe pensar el flujo eléctrico? Un enfoque útil se deriva directamente de la utilización de las líneas de campo para representar el campo eléctrico. Recordar que tales representaciones de la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto indicado por el espaciado de las líneas de campo en esa ubicación. Más específicamente, la intensidad del campo eléctrico puede considerarse proporcional a la densidad de líneas de campo (el número de líneas de campo por metro cuadrado) en un plano perpendicular al campo en el punto bajo consideración. La integración de esa densidad en toda la superficie da el número de líneas de campo que penetran en la superficie y eso es exactamente lo que es la expresión de flujo eléctrico. Por lo tanto, otra manera de definir el flujo eléctrico es

número de líneas de campo que penetran una superficie.

Hay dos advertencias que usted debe mantener en mente cuando piensa el flujo eléctrico como el número de líneas de campo eléctrico penetrando una superficie. La primera es que las líneas de campo son solo una representación adecuada del campo eléctrico, que es continuo en el espacio. El número de líneas de campo que usted elija para dibujar un campo dado, siempre y cuando se mantenga consistente entre campos de diferentes intensidades, lo que significa que los campos que son dos veces más fuertes deben estar representados por dos veces más líneas de campo por unidad de área.

Figura 4.7 Líneas de flujo penetrando superficies cerradas.

La segunda advertencia es que la penetración de la superficie es un camino de dos vías; una vez que la dirección de una superficie normal ha sido establecida, los componentes de la línea de campo paralelo a esa dirección dan un flujo positivo, mientras que los componentes en la dirección opuesta (antiparalelo a) dan un flujo negativo. Así, una superficie penetrada por cinco líneas de campo en una dirección (es decir, desde la parte superior a la parte inferior) y cinco líneas de campo en el sentido opuesto (de abajo a arriba) tiene cero flujo, porque las contribuciones de los dos grupos de líneas de campo se cancelan. Por lo tanto, usted debe pensar el flujo eléctrico como el número neto de líneas de campo que penetran en la superficie, tomando en cuenta la dirección de penetración.

Si reflexionamos sobre este último punto, se puede llegar a una conclusión importante sobre superficies cerradas. Considerar los tres cuadros como se muestran en la Figura 4.7. El cuadro en la Figura 4.7(a) está penetrado solo por líneas de campo eléctrico que se originan y terminan en el exterior de la caja. Por lo tanto, cada línea del campo que entra debe salir, y el flujo a través de la caja debe ser cero.

Recordando que la unidad normal para superficies cerradas son puntos fuera de los volúmenes cerrados, puede ver que las líneas de flujo hacia adentro (entrando en el recuadro) es negativo, pues debe ser negativo cuando el ángulo entre y es mayor que 90º . Precisamente esta  es cancelada por el flujo hacia fuera (líneas que salen de la caja), lo cual es positivo, ya que es positivo cuando el ángulo entre y es inferior a 90º .

Ahora considere el cuadro en la Figura 4.7(b). Las superficies de este cuadro son penetradas no sólo por las líneas de campo originadas fuera de la caja, sino también por un grupo de líneas de campo que se originan dentro de la caja. En este caso, el número neto de líneas de campo, claramente no es cero, puesto que el flujo positivo de la líneas que se originan en el cuadro no es compensado por otros cualquier flujo entrante (negativo). Por lo tanto, se puede decir con certeza que si el flujo a través de cualquier superficie cerrada es positiva, la superficie debe contener una fuente de líneas de campo.

Por último, consideremos el cuadro en la Figura 4.7(c). En este caso, algunas de las líneas de campo terminan dentro del cuadro. Estas líneas proporcionan un flujo negativo en la superficie a través de la cual ingresan, y puesto que no salen de la caja, su contribución al flujo neto no es compensado por ningún flujo positivo.

Evidentemente, si el flujo a través de una superficie cerrada es negativo, esta superficie debe contener un sumidero de las líneas de campo (algunas veces referido como un drenaje).

Ahora recuerde la regla del pulgar para cargas en el dibujo de líneas de campo eléctrico inducido; deben provenir de carga positiva y terminan en una carga negativa. Así, el punto a partir del campo del cual las  líneas divergen en la Figura 4.7(b) marca la ubicación de alguna cantidad de carga positiva, y el punto en el que las líneas de campo convergen en la Figura 4.7(c) indica la existencia de una carga negativa en esa ubicación.

Si la cantidad de carga en esos lugares fuera mayor, habría más líneas de campo comenzando o terminando en esos puntos, y el flujo a través de la superficie sería mayor. Y si existen cantidades iguales positivas y negativas de la carga dentro de uno de estos cuadros, la positiva (carga hacia afuera) produciendo flujo de carga positiva el cual sería cancelado por la negativa (carga hacia adentro), flujo producido por la carga negativa. Así, en este caso el flujo sería cero, al igual que la carga neta contenida dentro de la caja sería cero.

Ahora deberíamos ver el razonamiento físico detrás de la ley de Gauss: el flujo eléctrico que pasa a través de cualquier superficie cerrada, es decir, el número de líneas de campo eléctrico penetrante por superficie, debe ser proporcional a la carga total contenida en dicha superficie. Antes de poner este concepto en práctica, debemos echar un vistazo al lado derecho de la ley de Gauss.

4.1.4.1 La carga encerrada

Si usted entiende el concepto de flujo tal como se describe en la sección anterior, debe quedar claro por qué el lado derecho de la ley de Gauss implica únicamente la carga cerrada, es decir, la carga dentro de la superficie cerrada sobre los cuales el flujo es determinado. Sencillamente, es porque cualquier carga que se encuentra fuera de la superficie produce una cantidad igual de flujo (negativo) hacia adentro y hacia afuera (flujo positivo), por lo que la contribución neta para el flujo a través de la superficie debe ser cero.

¿Cómo se puede determinar la carga encerrada por una superficie?, para algunos problemas, somos libres de elegir una superficie que rodea una cantidad conocida de la carga, como en las situaciones que se muestran en la Figura 4.8. En cada uno de estos casos, la carga total dentro de la superficie seleccionada puede determinarse fácilmente a partir de consideraciones geométricas.

Para problemas relacionados con grupos de cargas discretas encerrados por superficies de cualquier forma, encontrar que la carga total es simplemente una cuestión de añadir las cargas individuales.

La carga total encerrada es igual a:

Figura 4.8 Superficie encerrada que contiene cargas.

Mientras que un pequeño número de cargas discretas pueden aparecer en la física y en los problemas de ingeniería, en el mundo real esto está muy lejos, lo más probable es encontrar objetos cargados con miles de millones de portadores de carga a lo largo de un cable forrado, sobre una superficie, o agrupadas a lo largo de un volumen. En tales casos, contando las cargas individuales no es práctico, pero puede determinar la carga total si se conoce la densidad de carga. La densidad de carga puede ser especificada en una, dos o tres dimensiones (1-, 2- o 3-D).

Si estas cantidades son constantes en toda la longitud, área, volumen bajo consideración, encontrando la carga cerrada solo requiere una sola multiplicación:

Para nosotros también es probable que deseemos encontrar situaciones en las que la densidad de carga no es constante a lo largo de la línea, de superficie o de volumen de interés. En tales casos, la integración es la técnica descrita en la superficial de 'Integral''.  Así

Usted debe tener en cuenta que la mencionada carga en la ley de Gauss para campos eléctricos es la carga total, incluyendo tanto libre de carga y consolidada. Usted puede leer acerca de la carga dependiente en la sección siguiente, y usted encontrará una versión de la ley de Gauss que solo depende de la carga libre.

Una vez que haya determinado la carga encerrada por una superficie de cualquier tamaño y forma, es muy fácil encontrar el flujo a través de esa superficie; simplemente divida la carga encerrada por , la permitividad del espacio libre. El significado físico de ese parámetro se describe en la siguiente sección.

4.1.5 La permeabilidad del espacio libre

La constante de proporcionalidad entre el flujo eléctrico en el lado izquierdo de la ley de Gauss y la carga cerrada en el lado derecho es , la permitividad del espacio libre. La permitividad de un material determina su respuesta a una aplicación de un campo eléctrico, en material no conductor (llamados ''aisladores'' o ''dieléctricos''), las cargas no se mueven libremente, pero pueden ser ligeramente desplazadas de su posición de equilibrio. La permitividad pertinente en la ley de Gauss para campos eléctricos es la permitividad del espacio libre (o ''permitividad vacío''), que es la razón por la que lleva el subíndice cero.

El valor de la permitividad en el vacío en unidades SI es de aproximadamente 8,85x10^-12 culombios por volt-metro (C/Vm); a veces se las unidades de permitividad son dadas como faradios por metro (F/m) o, más fundamentalmente, (C²s²/kg m³). Un valor más preciso de la permitividad del espacio libre es

¿La presencia de esta cantidad significa que la forma de la ley de Gauss es válida solo en un vacío? No, la ley de Gauss, como está escrito en este capítulo en general, y se aplica a los campos eléctricos dentro de dieléctricos así como en espacio libre, la condición cuenta para todas las cargas encerradas, incluidas las cargas que están enlazadas a los átomos del material.

El efecto de cargas enlazadas puede entenderse teniendo en cuenta lo que ocurre cuando se coloca un dieléctrico en un campo eléctrico externo. En el interior del material dieléctrico, la amplitud del campo eléctrico total es generalmente inferior a la amplitud del campo aplicado.

La razón de esto es que los dieléctricos convertidos en ''polarizados'' cuando se colocan en un campo eléctrico, lo que significa que las cargas positivas y negativas son desplazadas de sus posiciones originales. Y dado que las cargas positivas son desplazadas en una dirección (paralela a la aplicación de un campo eléctrico) y cargas negativas están desplazadas en el sentido opuesto (antiparalelo al campo aplicado), estas cargas desplazadas generan su propio campo eléctrico que se opone al campo externo, como se muestra en la Figura 4.9. 

Esto hace que el campo neto dentro del dieléctrico, sea inferior al campo externo. Es la habilidad de los materiales dielécticos para reducir la amplitud de un campo eléctrico que conduce a su aplicación más común: el aumento de la capacitancia y la tensión máxima de funcionamiento de los condensadores. Como ustedes recordarán, la capacitancia (capacidad de almacenar carga) de un capacitor de placas paralelas es

Figura 4.9 Campo eléctrico inducido en un dieléctrico.

Donde A es el área de las placas, d las distancia de separación de la placas y es al permitividad del material entre las placas. Materiales con alta permitividad proporcionan mayor capacitancia sin requerir mayor área de placa o espacio entre las mismas. La permisividad de un dieléctrico a menudo se expresa como la permitividad relativa, que es el factor por el que la permitividad del material supera al de el espacio libre:

Permitividad relativa es 

Algunos textos se refieren a la permitividad relativa como ''dieléctrica constante'', a pesar de la variación de la permitividad con la frecuencia, que  sugiere que la palabra ''constante'' es mejor utilizada en otros lugares. La permitividad relativa del hielo, por ejemplo, cambia aproximadamente 81 a frecuencias por debajo de 1 kHz, a menos de 5 en frecuencias por encima de 1MHz. Más a menudo, a baja frecuencia el valor de permitividad se llama constante dieléctrica.

Una nota más sobre permitividad; la permitividad de un medio es un parámetro fundamental para determinar la velocidad con la que una onda electromagnética se propaga a través de ese medio.

4.1.5.1 Aplicaciones de la Ley de Gauss en su forma integral

Una buena prueba de la comprensión de una ecuación como la ley de Gauss es si somos capacez de resolver problemas aplicando a las situaciones pertinentes. En este punto, usted debe estar convencido de que la ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada y a la carga encerrada por la superficie. Aquí están algunos ejemplos de lo que se puede hacer con esa información.

Ejemplo 4.1: para cada una de las distribuciones de carga, encontrar el flujo a través de una

superficie cerrada en torno a dicha carga.

Problema: Cinco cargas puntuales están encerradas en una superficie cilíndrica S. Si los

valores de las cargas son q₁=+3 nC3, q₂=-2 nC, q₃=+2nC, q₄=+4 nC y q₅=-1 nC, encontrar el flujo total a través de S.

Solución a través de la ley de Gauss

Para cargas discretas, usted sabe que la carga total es simplemente la suma de las

cargas individuales. Así que

Este es el flujo total a través de cualquier superficie cerrada que rodea a este grupo de

Cargas.

Ejemplo 4.2 Dado el flujo a través de una superficie cerrada, encontrar la carga encerrada.

Problema: una línea carga con densidad de carga lineal pasa por el centro de una esfera. Si el flujo a través de la superficie de la esfera es de , ¿cuál es el radio R de la esfera?

Solución: La carga sobre una línea de  carga de longitud L está dada por. Así,

Desde L es el doble del radio de la esfera, esto significa

Insertar los valores para la ,  y , usted encontrará que 

Ejemplo 4.3 Hallar el flujo a través de una sección de una superficie cerrada.

Problema: Una fuente puntual de carga q se coloca en el centro de curvatura de una sección esférica que se extiende desde el ángulo esférico de a y de a . Encontrar el flujo eléctrico a través de la sección esférica.

Solución: La superficie de interés, en este problema es abierta, tendrá que encontrar el flujo eléctrico integrando la componente normal del campo eléctrico sobre la superficie. A continuación, puede comprobar su respuesta mediante la ley de Gauss permitiendo la sección esférica para formar una esfera que encierra el punto de carga.

El flujo eléctrico es , donde S es la sección esférica de interés y es el campo eléctrico en la superficie debido a la carga de puntual en el centro de la curvatura, una distancia r desde la sección de interés.

En la Tabla 4.1, usted sabe que el campo eléctrico a una distancia r de un punto su carga es

Antes de poder integrar por encima de la superficie de interés, usted tiene que considerar (es decir, usted debe encontrar el componente del campo eléctrico perpendicular a la superficie). Que es trivial en este caso, porque la unidad normal para una sección esférica apunta en la dirección radial hacia afuera (en dirección), como puede verse en la figura. Esto significa que   son paralelos y el flujo está dado por

Desde que se está integrando en una sección esférica en este caso, la elección lógica para el sistema de coordenadas deben ser esféricas. Esto hace que el elemento área y la superficie se vuelve integral

Que se integra fácilmente dando

Para comprobar este resultado, tomar toda la esfera en la sección 

Esto da como consecuencia: 

La predicción exacta dada por la Ley de Gauss.

Ejemplo 4.4   esta determinado sobre una superficie, encontrar el flujo a través de la superficie y la carga encerrada por la superficie.

Problema: El campo eléctrico a una distancia r de una línea carga infinita con densidad de carga lineal  está dada en la Tabla 1.1 como

Usar esta expresión para encontrar el flujo eléctrico a través de un cilindro de radio r y altura h que rodea una porción de una línea infinita de carga, y luego usar la ley de Gauss para verificar que la carga adjunta es .

Solución: Problemas como estos es mejor abordarlos considerando el flujo a través de cada una de las tres superficies que componen el cilindro: la parte superior, inferior y laterales curvados de superficies. La expresión más general para el flujo eléctrico a través de cualquier superficie

Que en este caso da

Consideremos ahora la unidad Vectores normales de cada una de las tres superficies: desde el campo eléctrico apunta radialmente hacia afuera desde el eje del cilindro, es perpendicular a los vectores normales de las superficies superior e inferior y paralelo a los vectores normales para el lado curvo del cilindro. Por lo tanto, puede escribir:

Y, puesto que el área del lado curvo del cilindro es, esto es

La ley de Gauss le dice que esta debe ser igual , la cual verifica que la

carga adjunta en este caso

Ejemplo 4.5 Dada una distribución de carga simétrica, encontrar .

Encontrar el campo eléctrico mediante la ley de Gauss, puede parecer una tarea desesperada. Después de todo, mientras que el campo eléctrico no aparece en la ecuación, es sólo el componente normal que surge del producto punto, y es solo la parte integrante de ese componente normal en toda la superficie el que es proporcional a la carga encerrada. ¿Existen situaciones realistas en la cual es posible encontrar el campo eléctrico fuera de su posición interior en la ley de Gauss?

Afortunadamente, la respuesta es sí; de hecho, puede encontrar el campo eléctrico mediante la ley de Gauss, aunque sólo en situaciones caracterizadas por una alta simetría. Específicamente, usted puede determinar el campo eléctrico cuando es capaz de diseñar uno real o imaginario con ''especial superficie gaussiana'' que contenga una cantidad conocida de la carga. Una superficie especial gaussiana es una en que:

(1) El campo eléctrico es paralelo o perpendicular a la superficie normal (que le permite convertir el producto de punto en una multiplicación algebraica), y

(2) El campo eléctrico es constante o cero a lo largo de secciones de la superficie (lo que

le permite retirar el campo eléctrico de la integral).

Por supuesto, el campo eléctrico en cualquier superficie que se pueda imaginar alrededor de forma arbitraria, las distribuciones de carga no cumplen ninguno de estos requisitos. Pero hay situaciones en las que la distribución de la carga es suficientemente simétrica a una superficie gaussiana especial que puede ser imaginada.

Concretamente, el campo eléctrico en las proximidades de la distribución de la carga esférica, infinitas líneas de carga, e infinitos planos de carga pueden determinarse mediante la aplicación directa de la forma integral de la ley de Gauss. Las geometrías que se aproximan a estas condiciones ideales, o pueden ser aproximadas por combinaciones de ellas, también pueden ser abordadas mediante la ley de Gauss.

En el problema siguiente se muestra cómo utilizar la ley de Gauss para encontrar el campo eléctrico alrededor de una distribución esférica de carga; los otros casos están comprendidos en el conjunto de problemas.

Problema: utilizar la ley de Gauss para encontrar el campo eléctrico a una distancia r desde el centro de una esfera con un volumen uniforme de densidad de carga y radio a.

Solución: Considere primero el campo eléctrico fuera de la esfera. Desde la distribución la carga es esférica y simétrica, es razonable esperar que el campo eléctrico sea totalmente radial (es decir, apuntó hacia o fuera de la esfera). Si eso no es obvio para usted, imagine lo que sucedería si el campo eléctrico tiene un componente no radial (digamos en la o dirección); girando la esfera sobre algunos ejes arbitrarios, se tendría que ser capaz de cambiar la dirección del campo. Pero la carga es distribuida uniformemente en toda la esfera, de modo que no puede haber ninguna dirección preferida u orientación. Si girar la esfera simplemente reemplaza un fragmento de carga con otro idéntico, de manera que esta no pueda tener ningún efecto sobre el campo eléctrico. Frente a este enigma, usted está obligado a concluir que el campo eléctrico de una distribución esférica de carga simétrica debe estar totalmente radial.

Para encontrar el valor de este campo radial utilizando la ley de Gauss, imagine

 una superficie que cumpla los requisitos de una superficie gaussiana especial; deben ser paralelas o perpendiculares a la superficie normal en todos los lugares, y debe ser uniforme en toda la superficie. Para un campo eléctrico radial, solo puede haber una elección; su superficie gaussiana debe ser una esfera centrada en la esfera cargada, como se muestra en la figura. Observe que no hay necesidad real de la superficie y la superficie gaussiana especial puede ser puramente imaginaria, es simplemente una construcción que le permite evaluar el producto de punto y quitar el campo eléctrico de la superficie integral en la ley de Gauss.

Desde el campo eléctrico radial todas las partes son paralelas a la normal de la superficie, la  plazo en la integral en la ley de Gauss se convierte en, y el flujo eléctrico a través de la superficie gaussiana S es

debe ser constante a lo largo del S, lo cual significa que puede ser eliminado de la integral:

Donde r es el radio de la superficie gaussiana especial. Ahora puede utilizar la ley de Gauss para encontrar el valor de la intensidad de campo eléctrico:

Donde es el cargo q encerrada por su superficie gaussiana. Puede usar esta expresión para encontrar el campo eléctrico tanto fuera como dentro de la esfera.

Para encontrar el campo eléctrico fuera de la esfera, construir su superficie gaussiana con radio r>a para que toda la esfera cargada se encuentre dentro de la superficie gaussiana. Esto significa que la carga adjunta es solo la densidad de carga de todo el volumen de la esfera cargada: 

Fuera de la esfera.

Para encontrar el campo eléctrico dentro de la esfera cargada, construir su superficie gaussiana con r<a. En este caso, la carga adjunta es la densidad de carga en el volumen de su superficie gaussiana: 

Dentro de la esfera.

Las claves del éxito es emplear superficies Gaussianas especiales para reconocer la forma adecuada de la superficie y, a continuación, ajustar su tamaño para asegurar que se ejecuta a través del punto en el que desea determinar el campo eléctrico.

4.2 La ley de Gauss en su forma diferencial

La forma integral de la Ley de Gauss para campos eléctricos está relacionada con el flujo eléctrico sobre una superficie qua encierra la carga, pero para todas las ecuaciones de Maxwell hay una forma diferencial. Para la Ley de Gauss puede también describirse de manera diferencial como:

El lado izquierdo de esta ecuación es la forma matemática de la divergencia del campo eléctrico, es decir, la tendencia del campo de flujo de una ubicación especifica. El lado derecho de la ecuación es la densidad de carga eléctrica dividida por la permitividad del espacio libre. 

El campo eléctrico producido por la carga, diverge si la carga es positiva y converge si la carga negativa.  Esta es la idea principal de la Ley de Gauss en forma diferencial. En otras palabras, los únicos lugares en que la divergencia del campo eléctrico no es cero son en aquellos lugares en que la carga está presente. Si hay una carga positiva, la divergencia es positiva, lo que significa que el campo eléctrico tiende a fluir de ese lugar. Si hay una carga negativa, la divergencia es negativa, y las líneas de campo tienden a fluir hacia ese punto. 

Tenga en cuenta que hay una diferencia fundamental entre la forma diferencial e integral de la Ley de Gauss; la forma diferencial se ocupa de la divergencia del campo eléctrico y de la densidad de la carga en los puntos individuales en el espacio, mientras que la forma integral implica la integración de la componente normal del campo eléctrico sobre la superficie. Familiarizarnos con ambas formas permite utilizar la mejor forma para problemas que se intenten resolver. 

¿En dónde será útil la Ley de Gauss en su forma diferencial? En cualquier problema que se sabe que la variación espacial del campo vectorial eléctrico en una ubicación especifica, puede encontrarse la densidad de carga de volumen en su ubicación utilizando esta forma. Y sí se conoce la densidad de carga de volumen, puede determinarse la divergencia del campo eléctrico.

La expresión derecha de esta ecuación, representa la divergencia del campo eléctrico, en electrostática todas las líneas de campo eléctrico salen de puntos de carga positiva y termina en puntos de carga negativa; así que es comprensible que esta expresión es proporcional a la densidad de carga eléctrica en la situación bajo consideración. 

Consideremos el campo eléctrico de una carga positiva puntual; las líneas de campo eléctrico se originan en la carga positiva, y sabemos por la Tabla 4.1 que el campo eléctrico es radial y disminuye con

Campos vectoriales con varios valores divergentes, los lugares 1 y 2 en (a) y 3 en (b) son puntos de divergencia positiva, mientras la divergencia será negativa en el punto 4. El punto 5 es obviamente un punto de divergencia positiva. Pero en los puntos 6 y 7 no esta tan claro, las lineas claramente están extendiéndose en esos puntos, pero también están claramente recibiendo menor a mayor distancia desde el centro. ¿Separarse hacia fuera compensa la relentización del flujo? Así, la divergencia del campo vectorial es simplemente el cambio en su componente x en el eje x, más el cambio en su componente en y en el eje y, más el cambio en su componente en z  sobre el eje z. Tenga en cuenta que la divergencia es una cantidad escalar; tiene magnitud pero no dirección. Como las lineas se están extendiendo hacia afuera como en (b), pero en este caso usted podría sospechar que la amplitud decrece del campo vectorial, afectando el valor de la divergencia. 

Así que la difusión de las líneas de campo eléctrico son exactamente compensadas por la reducción de en la amplitud de campo, y la divergencia del campo eléctrico es cero en todos los puntos de origen. La razón es que en el origen r =0, no está incluido en el análisis. Para evaluar la divergencia del campo en el origen, debemos utilizar la definición formal de divergencia: 

Teniendo en cuenta una superficie espacial  Gausseana que rodea la carga puntual q, esto es

Pero, es simplemente la densidad de carga media sobre el de volumen,  y como se reduce a cero, esto se convierte en igual a , la densidad de carga en el origen. Así, en el origen la divergencia es:

Esto satisface la Ley de Gauss. Merece la pena darse el tiempo para asegurarse que Usted entiende la importancia de este último punto. Una mirada casual a las lineas de campos eléctricos en las proximidades de una carga puntual, sugiere que ellos divergen en todas partes (en el sentido de llegar más lejos). Pero como ha visto, los campos vectoriales radiales disminuyen en amplitud con , realmente divergen en todas partes. El factor clave en la determinación de la divergencia en cualquier punto no es simplemente la distancia entre las líneas de campo y ese punto, pero si el flujo fuera de un volumen infinitamente pequeño alrededor del punto, seria  mayor, igual o menor que el flujo en ese volumen. Si el flujo hacia el exterior supera el flujo hacia el interior, la divergencia es positiva en ese punto. Si el flujo hacia el exterior es menor que el flujo hacia el interior, la divergencia es negativa, y si son iguales, hacia fuera y hacia dentro la divergencia es cero en ese punto.

En el caso de una carga puntual en el origen, el flujo a través de esta superficie infinitesimal es distinto de cero, solo si la superficie contiene la carga puntual. Por todas apartes, el flujo dentro y fuera de una superficie pequeña debe ser el mismo ya que no contiene carga, y la divergencia del campo eléctrico debe ser cero.

4.3 La ley de Gauss para un campo magnético

La ley de Gauss para campos magnéticos es similar en forma, pero diferente en el contenido de la Ley de Gauss para campos eléctricos. Para los campos eléctricos y magnéticos, la forma integral de la ley de Gauss implica el flujo del campo sobre una superficie cerrada y la forma diferencial especifica la divergencia del campo en un punto. 

4.4 La ley de Faraday

En una serie de experimentos efectuados en 1831 por Michael Faraday, demostró que una corriente eléctrica puede ser inducida en un circuito por el cambio del flujo magnético encerrado por el circuito. Este descubrimiento se hace aún más útil cuando se extiende a la declaración general de un campo magnético variante que produce un campo eléctrico. Estos campos eléctricos inducidos son muy diferentes a los campos producidos por cargas eléctricas y la Ley de Faraday de la inducción es la clave para entender su comportamiento.