¿Qué es un campo electrostático?
Cuando dos objetos cercanos tienen cargas eléctricas diferentes, existe un campo electrostático entre ellos. También se forma un campo electrostático alrededor de cualquier objeto que esté cargado eléctricamente con respecto a su entorno.
Los campos electrostáticos se forman como resultado de la electricidad estática inherente a ciertas partículas atómicas. La mayoría de los átomos están formados por tres partículas fundamentales: protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones forman el núcleo, y los electrones orbitan alrededor del núcleo, normalmente a una distancia considerable del núcleo y entre sí, en relación con el tamaño del átomo.
Los protones y los electrones tienen una carga electrostática medible. Los neutrones no. La cantidad de carga electrostática es la misma para protones y electrones. La carga de los protones se considera positiva (+) y la de los electrones negativa (-). Las designaciones positiva y negativa son un tanto arbitrarias, pero están universalmente aceptadas en la comunidad científica, por lo que es la convención comúnmente utilizada para describir el estado de carga de una partícula en relación con otra.
Debido a esta carga, cada protón y electrón genera un campo electrostático que puede interactuar con otras partículas. Este campo hace que las partículas con diferentes estados de carga se atraigan y que las partículas con los mismos estados de carga se repelan. Como resultado, los protones y los electrones se atraen, pero los protones repelen a otros protones y los electrones repelen a otros electrones. La razón por la que los protones pueden unirse tan fuertemente en el núcleo con otros protones es la interacción nuclear fuerte, que anula las fuerzas electrostáticas de repulsión y mantiene unidos a los protones.
Objetos cargados y sus campos electrostáticos
La mayoría de los átomos tienen el mismo número de protones y electrones, por lo que sus cargas electrostáticas se equilibran y se dice que el átomo es neutro. Sin embargo, los electrones pueden moverse mucho más libremente que los protones, por lo que es posible que un átomo pierda o gane electrones, dependiendo del tipo de átomo y del campo electrostático generado por las partículas.
El movimiento de los electrones puede provocar un desequilibrio entre el número de protones y electrones dentro de un átomo, haciendo que éste se encuentre en un estado cargado. Si hay más protones que electrones, el átomo está cargado positivamente. Si hay más electrones que protones, el átomo tiene carga negativa. Un átomo cargado, ya sea negativo o positivo, forma un campo electrostático que puede interactuar con otros átomos.
Dado que los átomos son los componentes básicos de todos los objetos, es posible que objetos enteros se carguen y formen campos electrostáticos. Al igual que un átomo, un objeto está cargado negativamente si tiene un exceso de electrones en relación con su entorno, y positivamente si tiene un déficit de electrones. Se considera que un objeto está en estado neutro — sin carga — si el número de protones y electrones está bastante equilibrado.
Si dos objetos tienen diferentes estados de carga y están relativamente cerca el uno del otro, forman un campo electrostático cuya intensidad depende de la cantidad de carga acumulada en cada objeto y de la distancia entre ellos. Si dos objetos tienen el mismo estado de carga y están próximos entre sí, cada uno forma su propio campo electrostático que se repele. Al igual que ocurre con los estados de carga opuestos, la fuerza de repulsión depende de la cantidad de carga de cada objeto y de la distancia entre ellos.
La mayoría de los objetos se encuentran en estado neutro, pero pueden cargarse cuando diferentes materiales entran en contacto entre sí de tal forma que los electrones saltan de un objeto a otro. Por ejemplo, si frotas un globo inflado contra tu ropa, los electrones pasan de la ropa a la superficie del globo, haciendo que éste tenga carga negativa. Si luego lo pega a una pared, quedará colgando porque la pared está más cargada positivamente. Entre el globo y la pared se forma un campo electrostático que provoca la atracción entre ambos.
Campos electrostáticos y campos magnéticos
Los campos electrostáticos guardan cierta similitud con los campos magnéticos. Los objetos se atraen si sus cargas son de polaridad opuesta (+/-) y se repelen si sus cargas son de la misma polaridad (+/+ o -/-). Las líneas de flujo electrostático en las proximidades de un par de objetos con cargas opuestas son similares a las líneas de flujo magnético entre y alrededor de un par de polos magnéticos opuestos.
En otros aspectos, los campos electrostáticos y magnéticos difieren. Los objetos metálicos bloquean los campos electrostáticos, mientras que los campos magnéticos pueden atravesar la mayoría de los metales, pero no todos. Los campos electrostáticos surgen de una diferencia de potencial o gradiente de tensión y pueden existir cuando los portadores de carga, como los electrones, están inmóviles — de ahí el término estático en electrostático. Los campos magnéticos surgen del movimiento de los portadores de carga — es decir, del flujo de corriente.
Cuando los portadores de carga se aceleran, en lugar de moverse a velocidad constante, se produce un campo magnético fluctuante. Esto da lugar a un campo eléctrico fluctuante, que a su vez produce otro campo magnético variable. El resultado es un efecto de «salto de rana» en el que ambos campos pueden propagarse a grandes distancias a través del espacio. Este campo sinérgico se conoce como campo electromagnético y es el fenómeno que hace posibles las comunicaciones inalámbricas, la radiodifusión y los sistemas de control.