Un campo eléctrico puede considerarse una propiedad eléctrica asociada a cada punto del espacio en el que está presente una carga en cualquier forma. Un campo eléctrico también se describe como la fuerza eléctrica por unidad de carga. Los campos eléctricos suelen estar causados por campos magnéticos variables o cargas eléctricas. La intensidad del campo eléctrico se mide en la unidad SI voltio por metro (V/m).
¿Qué es un Campo Eléctrico?
Un campo eléctrico se define matemáticamente como un campo vectorial que puede asociarse a cada punto del espacio. La dirección del campo se considera la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga de prueba positiva.
La fórmula del campo eléctrico viene dada como,
E = F /Q
Donde,
E es el campo eléctrico.
F es la fuerza.
Q es la carga.
Una carga eléctrica, que puede ser positiva o negativa, es una propiedad de la materia que hace que dos objetos se atraigan o se repelan. Si los objetos tienen cargas opuestas (positivo-negativo), se atraerán; si tienen carga similar (positiva-positiva o negativa-negativa), se repelerán.
La unidad de carga eléctrica es el culombio, que se define como la cantidad de electricidad que transporta una corriente eléctrica de 1 amperio en 1 segundo.
Los campos, las cargas y las fuerzas eléctricas se explican mediante la Ley de Coulomb. Como su nombre indica, la Ley de Coulomb fue desarrollada por Charles-Augustin de Coulomb, un físico francés. En 1785 publicó tres artículos sobre la electricidad y el magnetismo y en ellos expuso su ley.
El desarrollo de la Ley de Coulomb fue un hito importante en el desarrollo de la teoría del electromagnetismo, y que fue demandado como base para muchos más descubrimientos en años posteriores.
Ley de Coulomb
Las cargas eléctricas se atraen o se repelen porque ejercen fuerzas entre sí. La fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales -cargas idealizadas que se concentran en un punto del espacio- se describe mediante la ley de Coulomb.
La Ley de Coulomb establece que la fuerza, o magnitud, entre dos cargas puntuales es proporcional a las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional a la distancia entre las dos cargas.
A pesar de la sencillez del enunciado de la Ley de Coulomb, su aplicación tiene un gran alcance y describe muchos aspectos de los campos eléctricos: qué son, cómo reaccionan y cosas similares.
Matemáticamente, esto se da como:
F = ( k |q1q2| ) / r2
donde,
- q1 es la carga de la primera carga puntual
- q2 es la carga de la segunda carga puntual
- k = 8.988 * 109 Nm2/C2 es la constante de Coulomb
- r es la distancia entre dos cargas puntuales.
Aunque técnicamente no existen cargas puntuales reales, los electrones, protones y otras partículas son tan pequeñas que pueden aproximarse a una carga puntual.
Superposición de Campos Eléctricos
Como todos los campos vectoriales, el campo eléctrico sigue el principio de superposición. El campo eléctrico neto, debido a un grupo de cargas, es igual a la suma vectorial de los campos creados por cada carga. Si E1, E2, E3,….., etc. son los vectores de campo eléctrico debidos a las cargas puntuales q1, q2, q3, …, etc., entonces el campo eléctrico resultante E viene dado por,
E = E1 + E2 + E3 …
Líneas de Fuerza del Campo Eléctrico
Un campo eléctrico es una cantidad vectorial y puede visualizarse como flechas que se dirigen hacia las cargas o se alejan de ellas. Las líneas se definen como apuntando radialmente hacia fuera, lejos de una carga positiva, o radialmente hacia dentro, hacia una carga negativa.
Las líneas representan las líneas de fuerza y suelen llamarse líneas de campo eléctrico. Normalmente se dibujan como un patrón de varias líneas que se extienden desde la carga.
Las líneas de campo eléctrico apuntan en la dirección en la que una carga positiva se aceleraría si se colocara sobre la línea. Esto significa que las líneas se dirigen lejos de las cargas fuente con carga positiva y hacia las cargas fuente con carga negativa. Para indicar estas direcciones, las líneas de campo eléctrico incluyen una punta de flecha que apunta en la dirección apropiada.
En teoría, el diagrama de un campo eléctrico estaría formado por un número infinito de líneas. En la práctica, esto haría ilegible cualquier diagrama, por lo que, en aras de la claridad, el número de líneas suele ser limitado. Normalmente, unas pocas líneas alrededor de una carga para indicar el campo eléctrico son suficientes para mostrar la naturaleza del campo eléctrico en el espacio alrededor de la carga.
Propiedades de las Líneas de Campo Eléctrico
Las siguientes son las propiedades de las líneas de un campo eléctrico.
- Las líneas de campo nunca se cruzan entre sí.
- Son perpendiculares a la carga superficial.
- El campo es fuerte cuando las líneas están juntas, y es débil cuando las líneas de campo se alejan unas de otras.
- El número de líneas de campo es directamente proporcional a la magnitud de la carga.
- La línea de campo eléctrico comienza en la carga positiva y termina en la carga negativa.
- Si la carga es única, entonces comienzan o terminan en el infinito.
- Las curvas de las líneas son continuas en una región sin carga.
Cuando el campo eléctrico y el magnético se combinan, forman el campo electromagnético.
Tipos de Campo Eléctrico
Las líneas de campo eléctrico son de dos tipos.
Uniforme
Se dice que el campo eléctrico es uniforme si su valor permanece constante en una región del espacio. Su magnitud no depende del desplazamiento y las líneas de campo son paralelas y están igualmente espaciadas.
Ejemplo: Se puede crear un campo eléctrico uniforme entre dos placas paralelas cargadas, también conocido como condensador. Las líneas de campo eléctrico salen de la placa positiva y terminan en la negativa.
No Uniforme
El campo eléctrico es no uniforme si su valor no permanece constante en una región del espacio. En este caso, las líneas de campo eléctrico no son paralelas.
Ejemplo: El campo generado por una carga puntual es radial y su intensidad es inversamente proporcional a la distancia.
Preguntas Frecuentes
Cuando un aislante o un dieléctrico se coloca en un campo eléctrico, la intensidad del campo eléctrico disminuye.
El campo eléctrico dentro del conductor es nulo porque las cargas libres residen en la superficie.
El campo eléctrico nunca puede ser negativo. Representa una cantidad física, como la gravedad.
Los electrones se mueven en dirección a un campo opuesto.
Un campo eléctrico cambiante induce un campo magnético.
El campo eléctrico entre dos placas paralelas suele ser paralelo. Sin embargo, en los bordes se curvan, lo que significa que el campo eléctrico es mayor que entre las placas.