Flujo del campo eléctrico de una carga
De Laplace
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1 Enunciado
Halle el flujo del campo eléctrico debido a una carga puntual q a través de un disco cuyo eje pasa por el punto donde se encuentra la carga.
El disco tiene radio R y la distancia de la carga al plano del disco es h.
- Utilizando coordenadas cilíndricas
- Usando coordenadas esféricas (Sugerencia: En lugar del disco emplee otra superficie que abarque el mismo ángulo sólido).
2 Introducción
El flujo del campo eléctrico de una carga puntual (sobre la cual, por comodidad, situamos el origen de coordenadas) es
![\Phi_\mathrm{e} = \int_S \mathbf{E}\cdot\mathrm{d}\mathbf{S}=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0}\int_S\frac{\mathbf{r}\cdot\mathrm{d}\mathbf{S}}{r^3}](/wiki/images/math/e/7/a/e7ab3d8c1fab6722ce95aec4d42d46d1.png)
La integral que aparece en el último miembro no es más que el ángulo sólido, Ω, abarcado por la superficie, vista desde el origen de coordenadas. Por tanto
![\Phi_\mathrm{e} = \frac{q}{\varepsilon_0}\,\frac{\Omega}{4\pi}](/wiki/images/math/0/1/4/014a6e7cc92b950715b2098288e57a2c.png)
El problema se reduce, por tanto, a determinar el ángulo sólido con el que el disco se ve desde la carga.
3 En cilíndricas
Sitaumos, según hemos dicho, el origen de coordenadas sobre la carga puntual, y el eje Z como el eje del disco. De esta forma, el disco queda parametrizado como
![z=h\,](/wiki/images/math/d/4/3/d43d862f26ec95aae4790f1f7444889e.png)
![\rho\in[0,R]](/wiki/images/math/5/a/2/5a2c43a0583cd93d6b8f87dc84b97962.png)
![\varphi\in[0,2\pi)](/wiki/images/math/a/4/1/a4159e14c85638382cdc3a72ac609f88.png)
El vector de posición de los puntos del disco y el vector diferencial de superficie valen
![\mathbf{r}=\rho\mathbf{u}_\rho+h\mathbf{u}_z\,](/wiki/images/math/b/0/2/b0279dd64544bda9ca8644192786f9c8.png)
![r=\sqrt{h^2+\rho^2}](/wiki/images/math/2/a/0/2a0e04251cdfee64825fc6db41e1c6c9.png)
![\mathrm{d}\mathbf{S}=\rho\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\varphi\,\mathbf{u}_z](/wiki/images/math/d/1/5/d1524799b61b18db68f2343be8e770ae.png)
![\mathbf{r}\cdot\mathrm{d}\mathbf{S}=h\,\rho\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\varphi](/wiki/images/math/3/7/6/376aa5fdde87e90dfb75df9e5e790a07.png)
Sustituimos en la expresión del flujo
![\Phi_\mathrm{e}=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0}\int_{0}^{2\pi}\!\!\mathrm{d}\varphi\int_0^R\!\!\mathrm{d}\rho\frac{h\rho}{(\rho^2+z^2)^{3/2}}](/wiki/images/math/a/8/f/a8fbd8946f4eb8898eec733ebc493a07.png)