¿Te has preguntado alguna vez cuál es la causa de que caiga un rayo cuando hay una tormenta? o ¿por qué en un átomo los electrones que giran alrededor del núcleo no salen volando, a pesar de ir a una gran velocidad?
Ambas cosas se deben al mismo fenómeno: el campo eléctrico.
- Este artículo trata sobre los campos eléctricos.
- Para empezar, veremos la fórmula de los campos eléctricos.
- Posteriormente, estudiaremos cuáles son las propiedades de los campos eléctricos y qué tipos de campos eléctricos existen.
- Luego, analizaremos la ley de Coulomb.
- Aprenderemos sobre el origen de los campos eléctricos.
- Para terminar, veremos qué es la energía potencial eléctrica.
Campo eléctrico: fórmula
Un campo eléctrico es un área en el espacio, alrededor de una carga eléctrica, en la que otra carga eléctrica experimentará una fuerza.
- Se mide en unidades de NC-1 (Newtons por Coulomb).
Las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí; de forma análoga a los polos magnéticos, las cargas similares se alejan entre sí y las cargas opuestas se acercan. Es decir, una partícula con carga positiva atrae a otra con carga negativa y repele a otra con carga positiva.
Esta relación de fuerza sobre las cargas en un campo eléctrico viene dada por la fórmula:
$$E=\frac{F}{q}$$
Donde:
- E: Magnitud del campo eléctrico.
- F: Fuerza experimentada por la carga q.
- q: Una carga puntual.
Si se despeja la fuerza en la ecuación, se puede deducir que una mayor cantidad de fuerza será experimentada por una mayor carga. También, puedes ver por qué las unidades del campo eléctrico son NC-1; la fuerza se mide en Newtons y la carga se mide en Coulombs, por lo que F/q ≈ N/C.
Los campos eléctricos pueden visualizarse como líneas de campo eléctrico, las cuales surgen de una partícula cargada positivamente, pero convergen en una partícula cargada negativamente. Los campos eléctricos de una partícula positiva surgen y continúan en el infinito, mientras que los campos de las partículas cargadas negativamente se originan en el infinito y convergen en la propia partícula.
Es importante saber que un campo eléctrico es una magnitud vectorial.
Una magnitud vectorial tiene una cantidad (valor medible) una dirección; en cambio, una magnitud escalar solo tiene cantidad o valor medible.
Por lo tanto, los campos eléctricos también pueden visualizarse mediante vectores. El campo eléctrico resultante en cualquier punto del espacio es la suma de todos los vectores del campo eléctrico en ese punto.
Propiedades de los campos eléctricos
Los campos eléctricos presentan las siguientes propiedades:
- Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan entre sí; si lo hicieran, significaría que algún punto del espacio tendría un campo eléctrico en dos direcciones simultáneamente, lo cual no es posible.
- Los campos eléctricos son fuertes donde las líneas de campo eléctrico están más cerca unas de otras, y viceversa.
- Los campos eléctricos son siempre perpendiculares a la superficie cargada.
- El número de líneas de campo eléctrico es proporional a la carga elcéctrica.
- Las líneas de campo eléctrico se originan en la carga positiva y terminan en una carga negativa.
- Si solo hay una carga presente, el campo eléctrico comienza o termina en el infinito.
Es fácil comparar los campos eléctricos con los campos magnéticos. Sin embargo, presentan tanto diferencias como similitudes:
- Las líneas de campo eléctrico surgen de la carga positiva. Las líneas de campo magnético surgen del polo norte.
- Las líneas de campo eléctrico convergen en la carga negativa. Las líneas de campo magnético convergen en el polo sur.
- Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan, lo cual es una propiedad similar a la de las líneas de campo magnético.
- Tanto las líneas de campo eléctrico como las líneas de campo magnético son magnitudes vectoriales; es decir, tienen una magnitud y una dirección.
- La densidad de las líneas de campo disminuye, a medida que se extienden, tanto para los campos eléctricos como para los magnéticos.
Una diferencia importante es que las líneas de campo magnético solo pueden existir cuando hay un dipolo magnético; es decir, cuando hay polos norte y sur. Como los imanes no pueden existir sin alguno de sus polos, las líneas de campo magnético siempre forman bucles cerrados entre el polo norte y el polo sur. Sin embargo, las cargas eléctricas pueden existir como cargas positivas o negativas aisladas.
Tipos de campos eléctricos
Existen dos tipos de campos eléctricos:
- Campos eléctricos uniformes.
- Campos eléctricos no uniformes.
Campo eléctrico uniforme
Como su nombre indica, un campo eléctrico se denomina uniforme cuando no cambia con la distancia. Una carga (q) experimentaría la misma magnitud y dirección de la fuerza en cualquier punto de un campo eléctrico uniforme.
Considera el campo eléctrico entre dos placas paralelas con carga opuesta, como se muestra en la figura siguiente.
Campo eléctrico no uniforme
De nuevo, como su nombre indica, un campo eléctrico no uniforme no es constante y puede variar de un punto a otro. Una carga (q) experimentaría una magnitud o dirección variable (o ambas) de la fuerza en diferentes puntos en un campo eléctrico no uniforme.
Considera el siguiente ejemplo, que muestra un campo eléctrico de una sola carga puntual.
Los campos eléctricos que emanan de las partículas cargadas subatómicas (electrones y protones) mantienen unido al átomo. Sin ellos, el átomo dejaría de existir, y por extensión, todo lo demás también. Los campos eléctricos también son responsables de la interacción molecular en las reacciones químicas.
La ley de Coulomb
La ley de Coulomb nos dice que las cargas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen. Pero, además de estas afirmaciones rudimentarias, la ley de Coulomb proporciona la fórmula que cuantifica esta fuerza de atracción o repulsión:
$$F=k\cdot \frac{q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}$$
Donde:
- F: fuerza eléctrica de atracción o repulsión (N).
- k: constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad.
- Varía en función de la permitividad eléctrica (ε) del medio.
- q: valor de las cargas eléctricas (C).
- r: distancia que separa a las cargas (m).
La fuerza de atracción (o repulsión) entre dos cargas puntuales es:
Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
Directamente proporcional al producto de las dos cargas.
Donde:
- ε₀ = 8,854 Nm2C-2 es la permitividad del vacío (también llamada constante eléctrica).
- Si se calcula el valor de k, resulta k = 9·109 Nm2·C-2.
Como conocemos la fórmula de la fuerza que actúa sobre la carga q2, debido a la carga q1, podemos encontrar la intensidad del campo eléctrico, debido a la carga q1, en el punto r; solo hay que sustituir la primera ecuación por la ecuación que nos dio la ley de Coulomb.
Origen de los campos eléctricos
¿Qué es lo que realmente provoca la formación de un campo eléctrico? ¿Cómo se puede crear un campo eléctrico? Los campos eléctricos se forman cuando hay una diferencia de potencial eléctrico entre 2 puntos del espacio.
El potencial eléctrico se define como la cantidad de trabajo necesaria para mover una carga unitaria desde el infinito hasta un punto en un campo eléctrico.
Consideremos una carga Q; El potencial eléctrico en un punto a una distancia r de la carga Q es:
- Directamente proporcional a Q: Cuanto mayor sea la carga, mayor será el potencial eléctrico en ese punto.
- Inversamente proporcional a r: Cuanto mayor sea la distancia, menor será el potencial eléctrico en ese punto.
Crea tú mismo un pequeño campo eléctrico: Toma una regla/peine de plástico y frótala en tu pelo, o en un trozo de tela. Inmediatamente, acércalo a un pequeño trozo de papel. ¿Qué notas?
El papel parece ser atraído por la regla. Esto se debe a que, al frotar el plástico, este adquiere una carga estática negativa que tiene un campo eléctrico estático a su alrededor. Existe una diferencia de potencial entre la regla y el papel: cuando el papel se encuentra en la proximidad de este campo eléctrico, experimenta una fuerza hacia él.
¿Recuerdas que establecimos que un campo eléctrico es el resultado de una diferencia de potencial eléctrico entre 2 puntos? Pues, si trabajamos sobre la ecuación, y diferenciamos Velec con respecto a r, obtendremos la fórmula del campo eléctrico. El signo negativo indica que la intensidad del campo eléctrico disminuye, a medida que nos alejamos de la carga (es decir, a medida que r aumenta). Observa que E y r son cantidades vectoriales en esta ecuación, mientras que Velec es una cantidad escalar.
Energía potencial eléctrica
Como ya se ha dicho, la energía potencial eléctrica es la energía necesaria para mover una carga a través de un campo eléctrico. Esto se debe a que la carga experimenta constantemente una fuerza debida al campo eléctrico. También puede definirse como la energía total necesaria para mantener un sistema de dos cargas en una configuración determinada, debido a las fuerzas electrostáticas entre las dos cargas.
La fórmula general es la siguiente:
$$E_{p}=K\cdot \frac{q_{1}\cdot q_{2}}{r}$$
Donde:
- Ep: Energía potencial eléctrica (J).
- q1 y q2 : Dos cargas puntuales (C).
- r: distancia que las separa (m).
- K: constante de la ley de Coulomb. Su valor es 9·109 N·m2/C2.
Cuando r es ∞ (es decir, cuando las cargas están muy separadas), Uelec es 0. El trabajo realizado sobre las cargas para llevarlas a una distancia de r se almacena en este sistema como su energía potencial. A la inversa, el trabajo realizado por las fuerzas electrostáticas de las cargas entre sí es igual al negativo de la energía potencial del sistema. Como cualquier otra forma de energía, la Uelec se mide en julios.
Si se observa con atención la ecuación de Uelec, se puede deducir que se puede obtener Uelec multiplicando el potencial eléctrico por la carga q. Eso nos da la energía potencial necesaria para mantener una carga a una distancia r de otra carga.
Campos Eléctricos - Puntos Claves
- Un campo eléctrico es una región alrededor de una partícula cargada en la que otras partículas cargadas experimentarán una fuerza.
- El campo eléctrico puede visualizarse con líneas de campo eléctrico, al igual que las líneas de campo magnético.
- Cuando hay una sola carga puntual positiva, las líneas de campo eléctrico saldrán de la carga puntual y terminarán en el infinito.
- Si hay una sola carga puntual negativa, las líneas de campo eléctrico comenzarán en el infinito y terminarán en la carga puntual. Un campo eléctrico uniforme tiene una intensidad uniforme en cada punto del espacio. La intensidad del campo eléctrico no uniforme puede variar de un punto a otro.
- La ley de Coulomb cuantifica la fuerza de atracción entre dos partículas cargadas.
- El campo eléctrico es el resultado de la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del espacio.
- El trabajo realizado sobre un sistema de cargas para reunirlas en proximidad una de otra se almacena en el sistema como su energía potencial.
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