Fuerza y Campo Eléctrico: Conceptos y Aplicaciones

Ley de Coulomb

La Ley de Coulomb establece que la fuerza de atracción o repulsión entre dos partículas cargadas es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Constante Eléctrica (K)

La constante eléctrica (K) indica la capacidad de transmisión de la interacción eléctrica a través de un determinado medio. Se puede expresar en función de la permitividad eléctrica (ε) mediante la relación: K = 1 / (4πε). La permitividad eléctrica representa la oposición de un medio a la transmisión de la interacción eléctrica.

Campo Eléctrico

Las fuerzas eléctricas son fuerzas de acción a distancia. Para explicar este fenómeno, se introduce el concepto de campo eléctrico. Una carga crea en los puntos a su alrededor una propiedad llamada campo eléctrico, que se manifiesta cuando al situar una segunda carga en uno de estos puntos, esta experimenta una fuerza eléctrica.

Intensidad de Campo Eléctrico (E)

La intensidad de campo eléctrico (E) en un punto se define como la fuerza eléctrica que actúa sobre la unidad de carga positiva colocada en dicho punto.

Líneas de Campo Eléctrico

Las líneas de campo eléctrico son aquellas líneas tales que la tangente a ellas en un punto indica la dirección del campo en dicho punto. Para una carga puntual positiva, las líneas de campo son radiales, con centro en la carga y sentido hacia afuera. Si la carga es negativa, el sentido es hacia la carga.

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico en un punto se define como la energía potencial eléctrica que adquiere la unidad de carga positiva al colocarla en dicho punto.

Energía Potencial Eléctrica

La energía potencial eléctrica (Epe) es una función escalar que solo depende del punto inicial y final, no de la trayectoria. La Epe en un punto es el trabajo que realiza el campo eléctrico cuando traslada una carga (q) desde dicho punto hasta el infinito.

Teorema de Gauss

El Teorema de Gauss define el flujo de un campo eléctrico uniforme a través de una superficie como el producto escalar del campo eléctrico y el vector superficie.

Aplicaciones del Teorema de Gauss

Campo Eléctrico Creado por una Carga Puntual (Q)

Para calcular el campo eléctrico creado por una carga puntual Q, se elige como superficie gaussiana una esfera de radio (r) con centro en la carga Q. El campo eléctrico es uniforme en todos los puntos de la superficie esférica debido a que la distancia de todos los puntos al centro es la misma, y su dirección es radial.

Campo Eléctrico Creado por una Distribución Homogénea de Carga (Q)

Para una distribución esférica homogénea de carga Q, se elige como superficie gaussiana una esfera de radio (r) con centro en el centro de la distribución. Por simetría, el campo eléctrico en todos los puntos de la superficie es uniforme y radial.

Campo Eléctrico Creado por una Distribución Homogénea de Carga en un Plano (σ)

Para puntos cercanos al centro de un plano con una densidad superficial de carga (σ), se pueden despreciar los efectos de los bordes, y el vector campo eléctrico es perpendicular al plano. Se elige como superficie gaussiana un cilindro de altura 2r. La carga Q es la correspondiente a la sección del plano cortada por el cilindro. El campo eléctrico creado por un plano cargado es constante.

Campo Eléctrico Creado por un Hilo Indefinido Cargado Uniformemente (λ)

Para un hilo indefinido cargado uniformemente con una densidad lineal de carga (λ), se elige como superficie gaussiana un cilindro de radio (r) y altura (L) cuyo eje coincide con el hilo. En todos los puntos de la superficie lateral, el campo eléctrico es constante, y el vector campo eléctrico es perpendicular a la superficie lateral por consideraciones de simetría.