Los campos eléctricos están en todas partes y pueden desempeñar un papel importante en la vida cotidiana y en la ciencia.
Uno de los ejemplos más comunes de la existencia de campos eléctricos y de sus efectos se puede ver cuando se frota un globo contra un jersey y el globo se carga y se genera un campo eléctrico.
Debido a esta carga, el globo puede pegarse a las paredes, pero cuando se coloca al lado de otro globo que también ha sido frotado, el primer globo volará en la dirección opuesta.
Este fenómeno es el resultado de una propiedad de la materia llamada carga eléctrica. Las cargas eléctricas producen campos eléctricos: regiones del espacio alrededor de las partículas u objetos cargados eléctricamente en las que otras partículas u objetos cargados eléctricamente sentirían fuerza.
Los fundamentos de los campos eléctricos y su impacto en elementos como los componentes electrónicos y diversos artículos eléctricos pueden ser bastante importantes, por lo que su comprensión no sólo puede ser útil para tener una visión más amplia de los fenómenos eléctricos, sino también desde un punto de vista práctico.
¿Qué es un Campo Eléctrico?
Probablemente merezca la pena empezar a ver qué es un campo eléctrico definiendo qué es y explicando después cómo se produce todo esto y sus efectos.
Definición de Campo Eléctrico
Un campo eléctrico es un campo de fuerza invisible causado por una carga eléctrica. Es una alteración del espacio (aire o vacío) que rodea a la carga. Da lugar a una fuerza eléctrica que sienten las cargas eléctricas cuando se colocan cerca unas de otras. Se crea un campo eléctrico estático cuando las cargas están inmóviles, y la fuerza correspondiente se conoce como fuerza electrostática. El campo eléctrico es una cantidad vectorial que tiene magnitud y dirección.
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.
Definición de Carga Eléctrica
La 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 carga opuesta (positiva-negativa), se atraerán; si tienen carga similar (positiva-positiva o negativa-negativa), se repelerán.
La unidad de carga eléctrica es el coulomb, que se define como la cantidad de electricidad que transmite una corriente eléctrica de 1 amperio en 1 segundo.
Los átomos, que son las unidades básicas de la materia, están formados por tres tipos de partículas: electrones, neutrones y protones. Los electrones y los protones están cargados eléctricamente y tienen una carga negativa y positiva, respectivamente. Un neutrón no tiene carga eléctrica.
Muchos objetos son eléctricamente neutros y tienen una carga neta total de cero. Si hay un exceso de electrones o protones, lo que produce una carga neta que no es cero, los objetos se consideran cargados.
Una forma de cuantificar la carga eléctrica es utilizar la constante e = 1.602 *10-19 culombios. Un electrón, que es la menor cantidad de carga eléctrica negativa, tiene una carga de -1,602 *10-19 coulombs. Un protón, que es la menor cantidad de carga eléctrica positiva, tiene una carga de +1.602 *10-19 coulombs. Así, 10 electrones tendrían una carga de -10 e, y 10 protones tendrían una carga de +10 e.
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.
Fórmula de Campo Eléctrico
La fuerza del campo eléctrico en el espacio que rodea a una carga fuente se conoce como intensidad del campo eléctrico. Matemáticamente, un campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica experimentada por una carga unitaria. La siguiente ecuación da el vector del campo eléctrico:
E = F / q
Donde,
- E: Campo eléctrico
- F: Fuerza eléctrica
- q: Carga eléctrica
Unidad del SI: Voltio/metro (V/m) o Newtons/Coulomb (N/C)
Fórmula dimensional: [M L T-3 I-1]
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.