Fundamentos del Campo Eléctrico y Potencial Eléctrico

Definiciones Esenciales

• Campo Eléctrico ($\vec{E}$): Es la región espacial donde se producen fuerzas de origen eléctrico.
• Intensidad del Campo Eléctrico ($E$): Se define como la fuerza ($\vec{F}$) que experimenta una carga de prueba positiva al colocarse bajo la acción de tal campo, dividida entre el valor de dicha carga ($q_0$): $E = F / q_0$.

Movimiento de Partículas Cargadas en un Campo Eléctrico Uniforme

Cuando una carga puntual de magnitud "$q$" ingresa en una región donde existe un campo eléctrico, se verá sometida a una fuerza de magnitud:

$$\vec{F} = q\vec{E}$$

Si la partícula tiene una masa $m$, la aceleración ($\vec{a}$) que se imprime a la misma está dada por la Segunda Ley de Newton:

$$\vec{a} = \frac{\vec{F}}{m} = \frac{q\vec{E}}{m}$$

Esta relación establece tanto la magnitud como la dirección de la aceleración de una partícula en un campo eléctrico:

Características de la Aceleración

• Magnitud: $|\vec{a}| = |q|E / m$.
• Dirección: Depende del signo de la carga. Si la carga es positiva, la aceleración tendrá la misma dirección que $\vec{E}$. Si es negativa, tendrá dirección opuesta a $\vec{E}$.

La aceleración dada por esta relación puede ser variable o constante, según sea el valor del campo eléctrico $\vec{E}$. Si se trata del campo creado por una carga puntual, por ejemplo, la expresión del mismo es:

$$\vec{E} = K\frac{Q}{r^2} \hat{u}_r$$

Donde $\hat{u}_r$ es un vector radial unitario que determina la dirección del campo eléctrico.

Transferencia de Energía Eléctrica y Equilibrio

Un buen conductor eléctrico es un material en el cual los electrones de la órbita más externa de sus átomos se pueden mover con mucha libertad dentro de la estructura atómica. Los metales son ejemplos de buenos conductores.

Cuando un metal neutro, en cuyo interior no hay cargas en exceso, se introduce en un campo eléctrico, inmediatamente los electrones libres se mueven bajo la acción del mismo. Sobre los electrones se ejercen fuerzas que los hacen emigrar en una dirección opuesta a la del campo. Esta acción es muy rápida y se extiende por tiempos que están alrededor de $1 \mu s$.

Cuando el reajuste de cargas cesa, se dice que el conductor se encuentra en equilibrio eléctrico.

Potencial y Diferencia de Potencial

Potencial Eléctrico

Se llama potencial eléctrico ($V$) en un punto de un campo eléctrico al trabajo ($W$) necesario para transportar la unidad de carga positiva desde el infinito (o una referencia) hasta dicho punto. El potencial eléctrico es una magnitud escalar y tomará valores positivos y negativos.

Diferencia de Potencial Eléctrico ($\Delta V$)

Se llama diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un campo eléctrico al trabajo por unidad de carga que tiene que realizar un agente externo para llevar la unidad de cargas positivas desde A hasta B sin que cambie la energía cinética. Es importante destacar que:

Propiedad Fundamental

• La diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico determinado no varía cualquiera que sea la trayectoria que siga la carga en su movimiento; es decir, es independiente de la trayectoria.