Al igual que la fuerza gravitatoria es consecuencia de un campo gravitatorio, la fuerza eléctrica se debe a un campo eléctrico. Sin embargo, un campo eléctrico suele ser mucho más fuerte que un campo gravitatorio porque la constante gravitatoria es significativamente menor que la constante de Coulomb. ¿Pero, qué tan fuerte? En este artículo hablaremos de la intensidad del campo eléctrico y cómo calcularlo.
Fuerza del campo eléctrico
La intensidad del campo eléctrico es la intensidad de la fuerza por unidad de carga positiva.
Cualquier partícula cargada crea un campo eléctrico a su alrededor. Si una partícula cargada se encuentra en las proximidades de otra partícula, se producirán interacciones. Debido a que el campo eléctrico es un vector, cada punto del espacio dentro del campo tiene una magnitud, dirección y sentido determinado por las cargas que generan al campo. Para ver cómo se distribuye este campo en el espacio, se utiliza una representación gráfica llamada líneas de fuerza.
Líneas de fuerza del campo eléctrico
Las líneas de fuerza del campo eléctrico indican la dirección de la fuerza eléctrica que siente una carga positiva si se sitúa en un punto del campo.
Fig. 1: Cualquier partícula cargada produce un campo eléctrico que puede representarse con líneas.
Generalmente, las líneas de campo eléctrico apuntan hacia una carga negativa y se alejan de una carga positiva.
Otra diferencia entre un campo eléctrico y un campo gravitatorio es que un campo eléctrico puede tener una dirección positiva o negativa. Un campo gravitatorio, en cambio, solo tiene una dirección positiva. Esta es una forma conveniente de calcular la dirección de un campo en cualquier instante en el espacio libre.
Fig. 2 Líneas de campo de una partícula con carga positiva (izquierda) y una partícula con carga negativa (derecha).
Cuanto más densas sean las líneas de fuerza, más fuerte será el campo. Las líneas de fuerza también son útiles, si muchas cargas interactúan entre sí. La siguiente figura es un ejemplo de cargas que son opuestas.
Fig. 3: Las cargas iguales se repelen, como se indica con las líneas de campo de las dos cargas positivas.
Fórmula de la intensidad de campo eléctrico
Podemos medir el campo eléctrico generado por una carga puntual calculando su intensidad de campo eléctrico.
La intensidad de campo eléctrico es la fuerza ejercida por una carga \(+1 \,\,\mathrm{C}\) (carga de prueba) cuando se coloca en un campo eléctrico.
La fórmula para calcular la intensidad de campo eléctrico es:
\[E=\dfrac{F}{Q}\]
Aquí:
- \(E\) es la intensidad del campo eléctrico, medida en Newtons por Coulombs.
- \(F\) es la fuerza,, en Newtons.
- \(Q\) es la carga en Coulombs.
La intensidad de campo depende, principalmente, de dónde se encuentre la carga en el campo. Si una carga se encuentra donde las líneas de campo son densas, la fuerza experimentada será más fuerte.
Hay que tener en cuenta que la ecuación anterior es válida para campos lineales.
Asumiremos las cargas como cargas puntuales, lo que significa que toda la carga se concentra en el centro y tiene un campo radial.
Fig. 4: Cargas puntuales en un campo eléctrico y las fuerzas que se ejercen sobre ellas.
En un campo eléctrico radial, la intensidad del campo eléctrico puede representarse como:
\[E=K_c\dfrac{Q}{r^2}\]
Donde:
- \(E\) es la intensidad del campo eléctrico medida en Newtons por Coulomb.
- \(Kc\) es la constante de Coulomb con un valor de \(8,99\cdot 10^9\).
- \(Q\) es la carga puntual en culombios.
- \(r\) es la distancia de la carga puntual en metros.
La intensidad del campo eléctrico sigue la ley del cuadrado inverso: si la distancia a \(Q\) aumenta, la intensidad del campo disminuye.
Aplicaciones de un campo eléctrico
Si tomamos dos placas cargadas (una positiva y la otra negativa) y aplicamos una tensión a través de ellas, entonces entre las placas se inducirá un campo eléctrico paralelo y uniformemente distribuido.
Fig. 5: La intensidad del campo eléctrico actúa perpendicularmente a las placas.
Como la intensidad del campo eléctrico es la fuerza experimentada por una carga de \(1 \, \, \mathrm{C}\), la fuerza que actúa sobre una partícula cargada positivamente puede considerarse igual a la diferencia de potencial aplicada a través de las placas. Por lo tanto, para el ejemplo de la Figura 5, la ecuación de la intensidad de campo eléctrico es:
\[E=\dfrac{V}{d}\]
Aquí:
- \(E\) es la intensidad del campo eléctrico (\(\mathrm{V/m}\) o \(\mathrm{N/C}\)).
- \(V\) es la diferencia de potencial, en voltios.
- \(d\) es la distancia entre las placas, en metros.
Así, si ponemos una carga de prueba en un campo eléctrico uniforme, va a experimentar una fuerza hacia el extremo negativo del terminal, o placa. Y como este campo es uniforme, la intensidad del campo eléctrico será la misma, independientemente del lugar del campo en el que se coloque la carga de prueba.
Campo eléctrico uniforme
Un campo eléctrico uniforme es un campo eléctrico en el que su intensidad es la misma en todos los puntos.
Fig. 6: Una carga de prueba experimenta una fuerza dentro de un campo uniforme.
Fuerza del campo para carga con velocidad
El escenario anterior es para una carga de prueba colocada dentro de un campo eléctrico uniforme. Pero, ¿qué ocurre si una carga entra en un campo eléctrico con una velocidad inicial?
Si una carga entra en un campo eléctrico uniforme con cierta velocidad inicial, se curvará, y la dirección dependerá de si la carga es positiva o negativa.
Una carga que entra en ángulo recto con el campo siente una fuerza constante que actúa paralela a las líneas de campo dentro de las placas. En la Figura 7, una partícula con carga positiva entra en un campo eléctrico uniforme en ángulo recto y fluye en la misma dirección que las líneas de campo. Esto hace que la carga positiva se acelere hacia abajo, en una trayectoria parabólica curva.
Fig. 7: Una carga positiva sigue una trayectoria parabólica, si entra en ángulo recto con el campo.
Si la carga es negativa, la dirección será en sentido contrario a las líneas de campo.
Intensidad de campo eléctrico - Puntos clave
La intensidad del campo eléctrico es la fuerza ejercida por una carga de \(+1 \, \, \mathrm{C}\) (carga de prueba) cuando se coloca en un campo eléctrico.
Cualquier partícula cargada crea un campo eléctrico a su alrededor.
Las cargas puntuales se comportan como si toda la carga estuviera concentrada en su centro.
Las cargas puntuales tienen un campo eléctrico radial.
Un campo eléctrico uniforme se genera entre dos placas con carga opuesta, y la dirección de las líneas de campo eléctrico es de la placa positiva a la negativa.
En un campo eléctrico uniforme, la intensidad del campo eléctrico es la misma en todo el campo.
Si una carga entra en un campo eléctrico uniforme con cierta velocidad inicial, se curvará; la dirección dependerá de si la carga es positiva o negativa.
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