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INDICE
CAMPO ELECTRICO
.................................................................................
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EXPERIENCIA 2
........................................................................................
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I. OBJETIVOS:
.......................................................................................
2
II. MATERIALES:
.....................................................................................
2
III. FUNDAMENTO TEORICO:
...............................................................
3
A. Campo Elctrico:
............................................................................
3
B. Representacin de un campo elctrico:
......................................... 4
C. Intensidad de campo elctrico:
...................................................... 6
IV. PROCEDIMIENTO:
..........................................................................
8
V. CUESTIONARIO:
...............................................................................
10
VI. CONCLUSIONES:
...........................................................................
20
VII. SUGERENCIAS:
.............................................................................
21
VIII. BIBLIOGRAFIA:
.............................................................................
21
IX. ENLACES:
......................................................................................
22
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CAMPO ELECTRICO
EXPERIENCIA 2
I. OBJETIVOS:
El poder calcular el valor de la diferencia de potencial entre
dos
puntos.
Aprender a calcular la intensidad media que pueda tener un
campo
elctrico.
Estudiar las caractersticas principales que pueda tener un
campo
elctrico y que lo identificaremos a travs de la experiencia.
Poder graficar las lneas equipotenciales de un campo elctrico
con
la ayuda de la experiencia a realizar entre dos puntos
vecinos.
II. MATERIALES:
Cubeta de vidrio
Fuente de voltaje de CD
Voltmetro
Electrodos de cobre
Punta de prueba
Cucharadita de sal
Papeles milimetrados
Cables de conexin
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III. FUNDAMENTO TEORICO:
A. Campo Elctrico:
Un campo elctrico es un
campo de fuerzas creado
por la atraccin y repulsin
de cargas elctricas, las
fuerzas ejercidas entre s por
las cargas elctricas se
deben al campo elctrico
que se genera al rodear a
cada cuerpo que se
encuentre sometido a alguna
carga.
El campo elctrico presente
en cualquier punto
determinado se puede descubrir colocando una carga de prueba
pequea q, en ese lugar, y observando si experimenta alguna
fuerza.
Una carga de prueba es solo un sensor, es decir no produce el
campo
elctrico que estamos tratando de medir, el campo se debe a
otras
cargas. La carga de prueba debe estar en reposo, ya que las
cargas en
movimiento experimentan fuerzas diferentes. El campo
elctrico
reconocido por la letra E, se puede definir midiendo la magnitud
y
direccin de la fuerza elctrica (F), que acta sobre la carga de
prueba.
La definicin del campo elctrico es:
Un campo elctrico queda determinado por:
Intensidad en cada uno de sus puntos
Lneas de fuerzas o lneas de campo.
Potencial en cada uno de sus puntos.
El clculo del campo elctrico lo podemos realizar con las
siguientes
formulas:
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Tambin el clculo de la intensidad de la fuerza elctrica, por lo
tanto, est
dado por la ecuacin:
La fuerza de una carga elctrica dentro de un campo elctrico es
mayor
mientras mayor sea la intensidad de campo elctrico, y mayor sea
la misa
carga.
No obstante, tenemos que tener presente que un campo elctrico no
solo
se ve determinado por la magnitud que pueda tener la fuerza que
acta
sobre la carga de prueba, sino que tambin por el sentido que
presenta el
campo. Por tanto, los campos elctricos se representan en forma
de lneas
de campo, que nos indicaran el sentido que presenta el
campo.
B. Representacin de un campo elctrico:
La representacin de un campo elctrico est representado o
determinado por la forma geomtrica de las cargas que generan
el
campo, al igual que por la posicin que adoptan entre ellas.
Las
lneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de
la
fuerza elctrica.
Al respecto, las siguientes imgenes muestran el campo elctrico
de
una carga puntual positiva (izquierda) y el de una carga
puntual
negativa (derecha). Las lneas de campo se desplazan en este
caso
en forma de rayos que salen hacia el exterior a partir de la
carga. El
sentido de las leneas del campo (representado por las
flechas)
seala, de acuerdo a la convencin establecida, el sentido de
la
fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeas cargas
puntuales en las imgenes); esto significa que las lneas de
campo
parten cada vez de una carga positiva (o del infinito) y
terminan en
una carga negativa (o en el infinito). La densidad de las lneas
de
campo indica correspondientemente la intensidad del campo
elctrico; aqu esta decrece al alejarse de la carga puntual.
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Observemos ahora la representacin de un campo elctrico
generado
por dos cargas, observaremos el campo generado por dos cargas
de
igual signo y por dos cargas de diferente signo.
OBSERVACION:
Como veremos a continuacin lo que sucede
en un condensador de placas paralelas,
entonces si se encontraran cargas positivas y
negativas repartidas uniformemente sobre dos
placas de metal colocadas frente a frente, en
paralelo, como lo es un condensador de placas
paralelas, entre ambas superficies se generan
lneas de campo elctrico paralelo, como se
muestra en la figura siguiente. Estas lneas de
campo, al interior del condensador, son igual
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en todas partes, la intensidad de campo elctrico E de las placas
es
tambin igual en toda la superficie. Un campo elctrico de
esta
naturaleza recibe el nombre de Campo Elctrico Homogneo.
C. Intensidad de campo elctrico:
La regin del espacio situada en las proximidades de un
cuerpo
cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca en
cualquier punto de dicha regin una carga elctrica de prueba,
se
observa que se encuentra sometida a la accin de una fuerza.
Este
hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un
campo elctrico. La intensidad de campo elctrico en un punto
se
define como la fuerza que acta sobre la unidad de carga situada
en
l. Si E es la intensidad de campo, sobre una carga Q actuar
una
fuerza.
Para poder visualizar la intensidad y la direccin de un campo
elctrico se
debe introducir o tener presente el concepto de lneas de
fuerzas. Estas son
lneas imaginarias que son trazadas tales que la direccin que
tengan y su
sentido en cualquier punto sern las del campo elctrico en dicho
punto.
Estas lneas de fuerza deben dibujarse de tal manera que la
intensidad de
ellas sea proporcional a la magnitud del campo.
Electrodo
+
+
+ +
+
- - - - -
E E
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Sean dos puntos A y B en un campo
electrosttico tiene una diferencia de
potencial V, si se realiza trabajo para
mover una carga de un punto a otro,
este trabajo es independiente de la
trayectoria o recorrido escogido entre
estos dos puntos.
Sea un campo elctrico E debido a la
carga Q. Otra carga q+ en cualquier
unto A del campo se soportara una
fuerza. Por esto ser necesario realizar
trabajo para mover la carga q+ del
punto A a otro punto B a diferente distancia de la carga Q. La
diferencia de
potencial entre los puntos de A y B en un elctrico se define
como:
VAB = VB - VA =
Donde:
VAB: Diferencia de potencial entre los puntos de A y B.
WAB: Trabajo realizado por el agente externo.
q+ : Carga que se mueve entre A y B.
Sabemos que:
De () y ():
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IV. PROCEDIMIENTO:
Cabe notar que no existe instrumento alguno que permite medir
la
intensidad del campo elctrico en las vecindades de un sistema
de
conductores cargados elctricamente colocados en el espacio
libre. Sin
embargo, los conductores estn en un lquido conductor, el campo
elctrico
establecer pequeas corrientes en este medio, las que se pueden
usar
para tal fin.
1. Arma el circuito del esquema. El voltmetro mide la diferencia
de
potencial entre un punto del electrodo y el punto que se
encuentra en
la prueba.
2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de
la cubeta de
vidrio, antes de echar la solucin electroltica, preparada
anteriormente
en un recipiente comn.
3. Con el voltmetro mida la diferencia de potencial entre un
punto del
electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de
prueba.
4. En cada una de las dos hojas de papel milimetrado trace un
sistema de
coordenadas XY, ubicando el origen en la parte central de la
hoja, dibuje
el contorno dcada electrodo en las posiciones que quedara
definitivamente en la cubeta.
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5. Situ una de las hojas de papel milimetrado debajo de la
cubeta de
vidrio. Esta servir para hacer las lecturas de los puntos de
igual
potencial que ira anotado en el otro papel.
6. Eche la solucin electroltica en el recipiente fuente de
vidrio.
7. Sin hacer contacto con los electrodos mida la diferencia de
potencial
entre ellos acercando el electrodo de prueba a cada uno de los
otros
dos casi por contacto y tomando nota de las lecturas del
voltmetro.
V electrodos = V electros anillo - V electrodo placa
8. Selecciones un nmero de lneas equipotenciales por construir,
no
menor de diez.
9. Entonces el salto de potencial entre y lnea ser, en el caso
de
seleccionar diez lneas por ejemplo:
, y en general
N: el nmero de lneas
10. Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos
para los
cuales la lectura del voltmetro permanece. Anote lo observado
y
represente estos puntos en su hoja de papel milimetrado
auxiliar.
11. Una los puntos de igual potencial mediante trazo continuo,
habr UD
determinado cada uno de las superficies V2, V3, V5.
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V. CUESTIONARIO:
1. Determine la magnitud del campo elctrico entre las lneas
equipotenciales. El campo elctrico es uniforme? Por qu?
Lneas Equipotenciales
VA (v)
VB (v)
d (m)
E = (VB-VA)/d
(v/m)
1 2 3 5 0.009 222.2
2 3 5 8 0.016 187.5
3 4 8 11 0.019 157.89
4 5 11 14.5 0.021 166.67
5 6 14.5 16 0.01 150
6 7 16 19 0.02 150
7 8 19 23 0.028 142.86
8 9 23 27 0.02 200
Un campo elctrico uniforme tiene en toda la regin del espacio
la
misma magnitud y direccin.
Con los datos obtenidos podemos visualizar que el campo elctrico
es
casi uniforme (hay ciertas variaciones que corresponden a los
errores
sistemticos). Pero en s, el campo es uniforme, esto se debe a
las
lneas paralelas formadas por el electrodo rectangular.
Cada electrodo origina un campo diferente entre sus puntos
tambin
debido a que los electrodos tienen distinta forma por lo que el
campo
resultante tiene magnitudes distintas en diferentes puntos.
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2. En su grafica, dibuje las lneas equipotenciales para el
sistema
de electrodos que utilizo.
3. Cmo serian las lneas equipotenciales si los electrodos
son
de diferentes formas?
Como hemos observado en esta experiencia se evidencia que
las
lneas toman la forma geomtrica del electrodo ya que este al
estar
cargado tiene mayor intensidad de campo elctrico mientras ms
cerca se est de l, ello conlleva al seguimiento de la figura
del
electrodo y por tanto a la variacin de las lneas.
4. Por qu nunca se cruzan las lneas equipotenciales?
Una lnea equipotencial
es aquella que est
conformada por puntos
cuyos potenciales
siempre tienen el
mismo valor.
La pregunta puede ser
respondida al observar
la grfica obtenida. Observamos que las lneas equipotenciales
generadas por el electrodo rectangular son perpendiculares a
las
lneas del campo elctrico, entonces paralelas entre s. Por
tanto,
nunca se cruzarn. Demostracin:
Supongamos que existen dos lneas equipotenciales diferentes
se
cruzan.
Sean VA Vb, dos lneas equipotenciales que se cruzan en el punto
Q
y cuyo potencial de Q = V0.
Adems,
Como Q pertenece a VA, se tiene que: VA = V0, y
Como Q pertenece a VB, se tiene que: VB = V0, por tanto
tenemos
que:
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VA = V0 = VB
Tomando extremo: VA = VB, lo cual niega nuestra hiptesis.
L.q.q.d.
5. Si UD. Imaginariamente coloca una carga de prueba en una
corriente electroltica. Cul ser su camino de recorrido?
Las corrientes electrolticas se mueven a lo largo de las lneas
de
fuerza o lneas de campo. Entonces, al poner una carga de
prueba
(normalmente de carga positiva), esta recorrer las lneas de
campo
(como mostramos en el grfico). La carga se mover del polo
positivo (electrodo plano) al negativo (electrodo
triangular).
6. Por qu las lneas de fuerza deben formar un ngulo recto
con
las lneas equipotenciales cuando las cruzan?
Ninguna de las lneas de fuerza empieza o termina en el espacio
que
rodea la carga. Toda lnea de fuerza de un campo electrosttico
es
continua y termina sobre una carga positiva en un extremo y
sobre
una carga negativa en el otro. Como la energa potencial de
un
cuerpo cargado es la misma en todos los puntos de la
superficie
equipotencial dada, se deduce que no es necesario realizar
trabajo
(elctrico) para mover un cuerpo cargado sobre tal superficie. De
ah
que la superficie equipotencial que pasa por un punto cualquiera
ha
de ser perpendicular a la direccin del campo en dicho punto. Si
no
fuera as, el campo tendra una componente sobre la superficie
y
habra que realizar trabajo adicional contra las fuerzas
elctricas
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para desplazar una carga en direccin de esta componente. Las
lneas de campo y de la superficie equipotencial son, en
consecuencia, perpendiculares entre s.
7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de
un
electrodo a otro es:
El trabajo realizado por el campo elctrico sobre una carga
determinada q cuando se mueve desde una posicin en el que el
potencial es VA, a otro lugar en el que el potencial es VB, es la
diferencia entre la energa potencial inicial y final ya que el
campo elctrico es conservativo. El trabajo est dado por:
(*)
(*)Unidades del Sistema Internacional (Si) se expresa en: Joule
(J).
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Los datos obtenidos son los siguientes:
El potencial del electrodo rectangular = 30 V
El potencial del electrodo triangular = 0 V
Carga elctrica de e- = 1.602 10-19 C
Luego, aplicamos la frmula:
W = 4.806x10-18 J.
8. Siendo
, el error absoluto de E es:
Obtenemos el error absoluto mediante la suma de los errores
de
instrumento y el aleatorio.
Y la expresin de la medida es:
Tenemos dos medidas, la diferencia de potenciales y la
distancia. El
campo elctrico se obtiene de la siguiente manera:
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Observamos que E es una medida indirecta, ya que es obtenida
por
una divisin. Por tanto:
(
)
(
)
Donde es el promedio de .
Finalmente, obtenemos:
(
)
(
)
A continuacin, procederemos a calcular el error absoluto.
*En primer lugar, procedemos con el promedio de las diferencias
de
potenciales, con redondeo a tres decimales.
El error instrumental:
Para este caso particular el E0=ELM=1/2(0.5V)=0.25V
Entonces:
Luego:
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El error absoluto de :
=1.003
La variacin de diferencias de Potenciales ser:
*Ahora hacemos lo mismo con la distancia:
El error instrumental (Regla):
Para este caso particular el E0=ELM=1/2(0.001m)=0.0005m
Entonces:
Luego:
El error absoluto de :
= 0.0065
La distancia ser:
El valor de E estar dado de la siguiente manera:
Entonces:
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Luego: (
) (
)
(
)
(
)
Finalmente:
El error absoluto ser: V/m
9. El error relativo de la medida de E es:
Del resultado obtenido de la pregunta 8 obtendremos el error
relativo del valor del campo elctrico, a continuacin evaluaremos
el
valor a calcular:
10. Que semejanza y diferencia existe entre un campo elctrico
y
un campo gravitatorio.
Semejanzas:
Los campos gravitatorios y elctricos son vectoriales. As el
campo
creado por varias masas o varias cargas elctricas, que se
obtendr
sumando vectorialmente los vectores intensidad de campo en
dicho
punto debido a las masas o las cargas que actan sobre el
mismo.
Son campos conservativos porque la direccin de las fuerzas
siempre pasa por un mismo punto (en donde se encuentra la
masa
o la carga que los crea).
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La intensidad del campo es inversamente proporcional al
cuadrado
de la distancia entre los centros de las masas o de las cargas y
el
punto.
Las lneas de fuerzas son abiertas, es decir, empiezan en
algn
punto (fuentes del campo o el infinito) y terminan en algn
otro
punto (sumideros del campo o en el infinito).
En los campos conservativos como lo son el elctrico y el
gravitatorio, se puede definir una funcin escalar (potencial) y,
a
partir de ella poder construir superficies equipotenciales. Las
lneas
de fuerzas son perpendiculares a las superficies
equipotenciales.
Las fuerzas debidas a los campos gravitatorios y elctricos
son
centrales, ya que estn dirigidos hacia o desde el punto donde
se
encuentre la masa o la carga que los crea.
Las fuerzas gravitatoria y elctrica tienen siempre la direccin
del
vector intensidad campo.
Las lneas de fuerzas no pueden cortarse. De lo contrario, en
el
punto de corte existiran dos vectores campos distintos.
Diferencias:
Los campos gravitatorios no tienen fuentes. Sus lneas de
campo
siempre empiezan en el infinito. En cambio el campo elctrico,
por el
contrario puede tener fuentes (las cargas positivas) y sumideros
(las
negativas).
Las fuerzas debidas al campo gravitatorio son siempre de
atraccin,
mientras que las fuerzas del campo elctrico pueden ser tanto
de
atraccin como de repulsin.
Un punto material solo creara campos gravitatorios. Para crear
un
campo elctrico hace falta, adems, que el cuerpo este
cargado.
Los campos elctricos se pueden apantallar (dentro de una
esfera
metlica cargada el campo elctrico es nulo), mientras que los
gravitatorios cruzan las sustancias, pues podemos medirlos
dentro de
una habitacin, por tanto no se puede apantallar.
El campo gravitatorio puede ser uniforme en grandes extensiones,
pero
no as el campo elctrico.
Se puede obtener regiones de campo elctrico nulo como sucede
cuando una esfera metlica, pues en el interior el campo elctrico
es
nulo. Prcticamente es imposible crear regiones de campo
gravitatorio
nulo por medio de masas.
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Hay dipolos elctricos (tener presente a las molculas polares
como el
agua), pero no se conocen dipolos gravitatorios.
Hay induccin elctrica, no hay induccin electromagntica.
Las contantes G y K tienen las unidades N.m2.kg- 2 y
N.m2.C-2
respectivamente.
La constante K viene a ser 1.1020 veces mayor que la constante
G. esto
nos quiere decir que el campo gravitatorio es muy dbil comparado
con
el campo elctrico, en iguales de condiciones.
La constante G es una constante universal, mientras que la
constante K
no lo es puesto que su valor depende del medio.
Una partcula material, en reposo, abandonada a la accin del
campo
gravitatorio, inicia su movimiento en la direccin y sentido de
ste. Sin
embargo, una carga, en reposo y abandonada a la accin de un
campo
elctrico, lo hace en la direccin del mismo, pero su sentido
de
movimiento es el del campo si la carga es positiva y el
contrario si la
carga es negativa.
11. Si el potencial elctrico es constante es constante a travs
de una
determinada regin del espacio. Qu puede decirse acerca del
campo elctrico en la misma? Explique.
Al encontrarnos sobre una regin equipotencial podremos
llegar
a las siguientes particularidades:
El trabajo realizado por el campo para llevar una carga desde
el
punto de la superficie equipotencial hasta otro punto de la
misma superficie es igual a cero.
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El trabajo realizado por el campo para llevar una carga
desde
una superficie hasta otra es igual a la carga, multiplicada por
la
diferencia de potencial entre ambas superficies.
El trabajo realizado por el campo para transportar una carga,
no
depende de la trayectoria que siga.
VI. CONCLUSIONES:
Las lneas de fuerza que salen del campo elctrico nunca se cruzan
entre s,
debido a que para cada punto de la carga positiva de donde
salen, le
corresponde otro punto nico y diferente de la carga negativa a
la que llega.
Las lneas de fuerza forman un Angulo recto con las lneas
equipotenciales, ya
que al ser las primeras paralelas a la superficie del cuerpo, es
decir, salen
tangencialmente a este, mientras que las lneas equipotenciales
son
perpendiculares al plano de la superficie, con lo que ambas
lneas al cruzarse
forman un ngulo recto.
El campo elctrico, su distribucin y direccin se puede visualizar
teniendo en
cuenta la conformacin de las lneas de fuerza.
Las superficies equipotenciales son variables y esta se muestra
de forma
particular a medida que se avanza o desplaza el potencial o
disminuye segn la
posicin de las placas.
El campo elctrico est representado por las lneas de fuerza y
va
disminuyendo a medida que se acerca a la carga negativa.
Se aprendi a graficar las lneas equipotenciales en la vecindad
de dos
configuraciones de cargas (electrodos).
Se lo logr aprender a calcular la diferencia de potencial entre
dos puntos.
Se pudo aprender a calcular la intensidad media del campo
elctrico.
Se pudo obtener caractersticas principales del campo
elctrico.
Se logr Entender el concepto y las caractersticas principales
del campo
elctrico.
Se logr aprender como calcular el campo elctrico asociado con
las cargas que
se distribuyen a travs de un objeto.
Se logr entender como las lneas de campo elctrico pueden usarse
para
describir la magnitud y direccin del campo elctrico en una
pequea regin
del espacio
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VII. SUGERENCIAS:
Es recomendable que otros fluidos con mayor conductividad
elctrica sean utilizados para que el experimento tenga un mejor
desarrollo.
Adems, durante el desarrollo de la experiencia, una carga de
prueba puede ser colocada para conocer su camino de recorrido.
VIII. BIBLIOGRAFIA:
GUIA D ELABORATIOS DE FISICA III
FSICA ELEMENTAL (tomo II) o J.S. Fernndez
E.F. GALLONI.
o Editorial NIGAR S.R.L.
o Buenos Aires - ARGENTINA
FSICA GENERAL o Ing. Juan Goi Galarza
o LIMA - PERU
FSICA GENERAL o Adisson Wesley Longman
o Boulevard de las cataratas N3
o Mxico 01900, DF.
Fundamentos de Electromagnetismo o Cheng Finney
o Volumen I
o Paris Francia.
FSICA UNIVERSITARIA CON FISICA MODERNA
o Young, Freedman y Sears, Zemansky
o Tomo II
Fsica II I
o Sarwar
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Fundamentos de Electricidad y Magnetismo
o Arthur F. Kip
FISICA III
o Lic. Humberto Leyva N.
o Editorial Moshera
o Segunda Edicin.
FISICA.-
o Resnick Halliday
o Editorial Continental S.A. de C.V.
o Segunda Edicin.
IX. ENLACES:
http://www.monografias.com/trabajos85/campo-electrico/campo-
electrico.shtml
http://www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/
cargaycampoelectricos/contenidos/01d56993080935c3a.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico
http://www.fisicapractica.com/campo-electrico.php
http://www.buenastareas.com/ensayos/Diferencias-Entre-Campo-
Electrico-y-Campo/2899636.html