¡Bienvenidos a este fascinante viaje al mundo del campo eléctrico en la física! En este artículo, exploraremos en detalle qué es el campo eléctrico, cómo se calcula a través de sus fórmulas fundamentales y cómo se manifiesta en la naturaleza, incluyendo el comportamiento del campo eléctrico generado por cargas positivas y negativas, así como sus características distintivas. A lo largo de nuestra travesía, desentrañaremos los misterios detrás de las líneas de campo eléctrico y proporcionaremos ejemplos prácticos que te ayudarán a comprender mejor este concepto esencial en la física. Prepárense para sumergirse en un reino de cargas, fuerzas y energía eléctrica mientras desentrañamos los secretos del campo eléctrico. ¡Empecemos!
Introducción al campo eléctrico
En electrostática habíamos estudiado lo que es una carga eléctrica así como su propiedades; recordemos que las cargas eléctricas interactúan entre ellas atrayéndose o repeliéndose de acuerdo al sigo de su carga.
Imaginemos una carga puntual positiva Q que se encuentra fija en un lugar del espacio, ahora colocamos otra carga de prueba q0 a una distancia (r) cerca a la carga puntual fija, no importa si es positiva o negativa; notaremos que interactúan entre ellas, si son de signos iguales entonces se repelen y si son de signos diferentes se atraen, la fuerza con que se atraen o repelen está dada por la ley de Coulomb.
Para nuestro propósito asumiremos que Q es la carga puntual fija y q0 una carga de prueba que fue introducida dentro del campo eléctrico de Q.
Ahora imaginemos que deseamos expresar la fuerza sobre la carga de prueba q0, entonces la expresión fuerza sobre carga de prueba, será igual al producto de la constante de Coulomb K por la carga puntual fija dividida entre el cuadrado de la distancia que los separa.
A este último se conoce como campo eléctrico y su valor final nos expresa la fuerza F que actúa sobre una carga q0 a una distancia r. Si nos damos cuenta, la intensidad de campo solo depende de la carga puntual fija Q, mas no del valor de cargas q0 que puedan estar a cualquier distancia r de dicha carga puntual fija. Por ende, el campo eléctrico es una propiedad propia de las cargas eléctricas, o si quieres entender con una analogía: así como los planetas poseen un campo gravitatorio, las cargas poseen campo eléctrico.
Definición: Qué es el campo eléctrico
Se conoce como campo eléctrico a aquella región del espacio en el que una carga eléctrica ejerce cierta cantidad de fuerza eléctrica sobre cualquier otra carga que se encuentre en dicha región. El campo eléctrico de una carga, es una propiedad propia de ella y no depende de si existe o no cargas alrededor de ella.
Cuando una carga de prueba ingresa dentro del campo eléctrico de una carga puntual, la carga de prueba es sometida al campo eléctrico de la puntual y su intensidad depende de la distancia al que se ubica la carga de prueba respecto a la carga puntual fija. Cuanto más cerca se ubica, entonces mayor será la intensidad de campo experimentada y cuanto mayor es la distancia de separación, menor será la intensidad de campo experimentada.
Intensidad de campo eléctrico
La intensidad de campo eléctrico es una magnitud de tipo vectorial, básicamente determina que tan intensa es la fuerza que experimenta una carga de prueba colocada en un punto dentro de la región del campo eléctrico.
Podemos expresar la intensidad de campo eléctrico mediante la siguiente ecuación:
Unidades
Sus unidades en el sistema internacional están dadas en Newton sobre Coulomb (N/C) básicamente indica la fuerza en Newton que actúa sobre una unidad de carga en Coulomb.
Dirección del campo eléctrico
Como toda magnitud vectorial, el campo eléctrico que genera una carga, posee dirección y sentido; como la carga de prueba q0 es un escalar, entonces el campo eléctrico también tendrá la mima dirección que la fuerza eléctrica, es decir, campo eléctrico y fuerza eléctrica son paralelos.
Ahora sabemos que el valor de campo eléctrico es la fuerza ejercida sobre una carga q0, o si quieres entender como un cuerpo con carga q0. Entonces podemos decir que la fuerza ejercida por un cuerpo con carga Q, sobre un cuerpo con carga q0 que se encuentra dentro del campo eléctrico de otro cuerpo con carga Q, es igual al producto del campo eléctrico por el valor de la carga introducida q0. F=E.q0
Debemos tener en cuenta que esta fuerza es ejercida por otra carga sobre q0 y no la fuerza que ejerce q0, de la misma forma, el campo eléctrico es de otra carga, q0 es una carga sometida a dicha fuerza en dicho campo.
Campo eléctrico de cargas puntuales.
Hemos mencionado que las cargas eléctricas poseen un campo eléctrico, o si quieres puedes entender como cuerpos cargados ya sea con carga positiva o negativa, generan campos eléctricos entorno a ellas, este campo eléctrico afecta directamente a cargas que se colocan cerca de ellas a una distancia r.
Asumiremos que tenemos una carga puntual fija Q de carga positiva, ahora estableceremos el campo eléctrico que genera este en función de la constante de Coulomb y una carga de prueba q0 colocada a una distancia r de dicha carga puntual.
Observemos la ecuación que expresa al campo eléctrico, notamos que el valor de campo eléctrico es directamente proporcional al valor de la carga puntual, es decir cuánto más carga tiene un cuerpo, mayor será la intensidad de su campo eléctrico y cuanto menor es la carga, la intensidad de su campo también será menor.
La intensidad de campo eléctrico de una carga también depende de la distancia respecto a ella, en sus cercanías será mayor la intensidad, mientras en zonas más alejadas a la carga, menor es la intensidad de campo.
Campo eléctrico total sobre una carga de prueba
Ahora veremos cómo es el campo eléctrico que experimenta una carga de prueba, cuando está sometida al campo de una distribución discreta de cargas puntuales, es decir, cuando está sometido a varios campos eléctricos generados por cargas puntuales que se encuentran a su alrededor.
La intensidad de campo eléctrico total sobre una carga de prueba es igual a la suma de todos los campos que actúan sobre ella; ya que la intensidad de campo es una magnitud vectorial, es decir, tiene modulo y dirección, la suma será una suma de vectores, por ende se cumplirán las propiedades del análisis vectorial, además se pueden aplicar los métodos de suma vectorial, el resultado o intensidad de campo total será un vector con dirección y módulo en el espacio.
Las líneas de campo eléctrico
Las líneas de campo eléctrico son utilizadas con el objetivo de visualizar o representar gráficamente al campo eléctrico generado por las partículas cargadas. Michael Faraday consideraba que las cargas estaban rodeadas de muchas líneas de fuerza, ahora nos permite entender de manera práctica en qué consisten estas, aunque en realidad son simples representaciones.
Las líneas de campo son líneas imaginarias que entran o salen de las partículas cargadas en todas las direcciones, imagina que la partícula se encuentra en el espacio tridimensional y de ella salen o entran líneas, esto depende del tipo de carga; positiva o negativa, veamos.
Campo eléctrico de cargas positivas
Cuando la carga es positiva, entonces las líneas de campo eléctrico se representan salientes de la carga hacia el entorno de dicha carga.
Campo eléctrico de cargas negativas
La orientación del vector intensidad de campo eléctrico generado por cargas negativas es entrante, es decir se dirigen desde su entorno hacia el centro del cuerpo cargado que lo genera.
Líneas de campo eléctrico de dos cargas
Cuando dos cargas se colocan una a lado de otra ocurre un fenómeno que se describe mediante la forma de las líneas de campo, estas son influenciadas por la presencia de otra, de acuerdo a la cantidad y signo de las cargas eléctricas; veamos cómo así.
Dipolo eléctrico
Un dipolo eléctrico consiste en dos partículas cargadas con cargas opuestas, una positiva y otra negativa; en la figura podemos observar que las líneas de campo eléctrico salen de la partícula con carga positiva y entran a la partícula cargada negativamente.
En la figura podemos observar las líneas de campo eléctrico de dos cargas iguales pero de signos contrarios, cuando las cargas no son iguales, las curvas se distorsionan de acuerdo a la diferencia entre dichas cargas. Veremos un ejemplo más adelante.
Cargas positivas iguales
Cuando se trata de dos partículas con cargas positivas, las líneas de campo son salientes en ambas y en la zona donde una está al frente del otro, las líneas de campo sufren una desviación debido a la presencia de carga positiva.
Cabe aclarar que en la imagen se muestra dos cargas iguales, es decir con la misma cantidad de carga eléctrica, si existiera diferencia, las líneas de campo sufrirán cierta distorsión, pues la cantidad y forma de líneas es proporcional y depende de la carga que poseen las partículas.
Tipos de líneas de campo eléctrico
La forma de las líneas de campo generados por un cuerpo cargado pueden depender de la forma geométrica que presentan los cuerpos cargados, por ejemplo de una esfera las líneas de campo saldrán en forma radial, en un hoja delgada plana, las líneas serán perpendiculares a dicho plano, o en un eje cilíndrico las líneas son salientes o entrantes al eje. En fin puede haber dos tipos de campos, los campos uniformes y campos no uniformes.
Líneas de capo eléctrico uniforme
En un campo eléctrico uniforme, las líneas salientes o entrantes son paralelas, presentan el mismo espaciamiento entre ellas. Este tipo de campo se puede generar por ejemplo entre dos placas delgadas cargadas con cargas eléctricas opuestas, es decir una positiva y la otra negativamente, notaremos que las líneas de campo apuntan uniformemente desde la placa con carga positiva hacia la placa con carga negativa; mejor veamos la figura.
Líneas de campo eléctrico no uniforme
En este caso, el campo eléctrico no es uniforme, suelen ser curvadas y la dirección de campo eléctrico en cada punto puede cambiar, ya que se traza una línea tangente para hallar la dirección en un punto determinado.
En la imagen notamos que la carga eléctrica de la partícula positiva es mayor a la de la partícula con carga negativa, por ello, las líneas de campo son ligeramente distorsionadas, esto depende de la diferencia entre dichas cargas.
Cascaron esférico con carga uniforme.
El campo eléctrico dentro de un cascaron esférico uniformemente cargado es cero, es decir, las partículas cargadas que se encuentran en el interior de un cascaron esférico cargado, no experimentan ninguna fuerza eléctrica proveniente del cascaron.
Por otro lado las partículas cargadas que se encuentran en el exterior del cascaron esférico experimentan fuerza eléctrica, por ende están sometidos al campo eléctrico del cascarón. La fuerza que ejerce el cascarón es como si su carga estaría concentrado en su centro.
Campo eléctrico en una esfera conductora
El campo eléctrico en el interior de una esfera conductora es cero, podemos considerar que no existe.
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Excelente trabajo, los conceptos y gráficos expuestos con claridad.