Fundamentos de Electricidad y Magnetismo: Cargas, Campos y Potencial

Carga Eléctrica

Decimos que un cuerpo tiene carga positiva cuando tiene un déficit de electrones, y decimos que tiene carga negativa cuando tiene un exceso de electrones.

Coulombio

Un coulombio es la carga eléctrica que poseen 6,25 x 10¹⁸ electrones.

Definición de Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia, como lo es la masa. En la naturaleza existen dos tipos de carga, a las que se les asigna arbitrariamente los nombres de carga positiva y carga negativa. La carga eléctrica es una magnitud escalar que se mide en el Sistema Internacional (SI) en coulombios (C), aunque se suele emplear habitualmente el milicoulombio (mC). Entre dos cuerpos con carga eléctrica aparecen fuerzas de atracción o de repulsión. Si las cargas tienen el mismo signo, la fuerza es repulsiva, y si tienen distinto signo, la fuerza es atractiva.

La materia está constituida por átomos, y estos a su vez por protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva igual a la carga del electrón, mientras que los electrones tienen carga negativa. La cantidad de carga de ambas partículas es la misma, y al existir el mismo número de protones que de electrones en el átomo, estos son eléctricamente neutros. Los protones se encuentran en el núcleo y están fuertemente ligados a él, mientras que los electrones se encuentran en la corteza, débilmente unidos al átomo. Por lo tanto, es relativamente fácil separarlos del átomo mediante un aporte de energía no muy grande.

De este hecho se deduce que un cuerpo tiene carga positiva cuando tiene un déficit de electrones y carga negativa cuando tiene un exceso de electrones. En la actualidad, no se conoce ninguna partícula subatómica que tenga una carga fraccionaria con respecto al electrón, aunque existen modelos teóricos que describen una familia de partículas llamadas quarks, que poseen carga fraccionaria. Los quarks son los constituyentes de unas partículas denominadas bosones, como el protón y el neutrón.

Ley de Coulomb

La cuantificación de la fuerza entre cargas eléctricas se debe a Coulomb, quien, utilizando una balanza de torsión similar a la de Cavendish para determinar la constante de gravitación universal (G), estableció que la fuerza con la que se atraen o se repelen dos cargas es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Constante Eléctrica del Medio

La constante eléctrica del medio se define en función de otra constante que recibe el nombre de permitividad del medio o constante dieléctrica del medio.

Analogía entre la Ley de Coulomb y la Ley de Newton de la Gravitación Universal

La Ley de Coulomb es, en cierto modo, análoga a la Ley de Newton de la Gravitación Universal. Ambas fuerzas son proporcionales al producto de la propiedad que las crea e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa. Además, ambas fuerzas son centrales. Sin embargo, existen también grandes diferencias: las fuerzas gravitatorias son siempre atractivas, mientras que las eléctricas pueden ser atractivas o repulsivas. La constante de gravitación universal (G) es independiente del medio, mientras que la constante eléctrica (K) depende del medio en el que se encuentran las cargas.

Concepto de Campo Eléctrico

Al igual que en la interacción gravitatoria, conviene introducir el concepto de campo eléctrico de la misma manera que hemos introducido el campo gravitatorio. Decimos que en una región del espacio existe un campo eléctrico si, al introducir en dicha región una carga eléctrica testigo, esta experimenta una fuerza. Para caracterizar el campo eléctrico, se define la intensidad de campo eléctrico como la fuerza por unidad de carga eléctrica.

Energía Potencial Eléctrica

Al igual que ocurre con la fuerza gravitatoria, la fuerza eléctrica es una fuerza central y, por lo tanto, conservativa. Por ello, se puede definir en cada punto una función escalar llamada energía potencial eléctrica. El trabajo realizado por la fuerza eléctrica entre dos puntos A y B es igual a menos la variación de la energía potencial entre esos dos puntos. Por lo tanto, la energía potencial eléctrica la podemos definir en un punto como el trabajo realizado por la fuerza eléctrica para trasladar la carga desde el punto hasta el infinito, ya que la energía potencial en el infinito vale cero.

Líneas de Fuerza o Campo Eléctrico

Las líneas de fuerza del campo eléctrico son líneas imaginarias que representan la trayectoria que seguiría la unidad de carga positiva dejada en libertad dentro del campo eléctrico. Estas líneas deben cumplir las siguientes condiciones:

1. Las líneas salen de las cargas positivas (fuentes) y entran en las cargas negativas (sumideros).
2. El número de líneas que entran o salen de una carga puntual es proporcional al valor de la carga.
3. En cada punto del campo, el número de líneas por unidad de superficie perpendicular a ellas es proporcional a la intensidad de campo.
4. Dos líneas de fuerza nunca pueden cortarse. En cada punto, el campo tiene una dirección y un sentido únicos, por lo que dos líneas no pueden cruzarse, ya que el campo tendría dos direcciones y dos sentidos.

Intensidad de Campo

La intensidad de campo es el número de líneas de fuerza que atraviesa la unidad de superficie colocada perpendicularmente a dichas líneas. En el caso de un campo eléctrico uniforme, las líneas de campo son paralelas y el campo en dos puntos tiene el mismo valor.

Flujo del Campo Eléctrico: Teorema de Gauss

El flujo del campo eléctrico es una medida del número de líneas de fuerza que atraviesa una superficie dada. Si el campo eléctrico es uniforme, el flujo del campo eléctrico a través de una superficie plana es el producto escalar del campo por un vector que tiene como módulo el área de la superficie y dirección perpendicular a la superficie. El flujo se mide en newton por metro cuadrado partido por coulombios (N·m²/C). Si el campo no es uniforme o la superficie es cualquiera, el flujo se define mediante la integral de superficie.

Concepto de Potencial Eléctrico (V)

Al igual que se hizo con el campo gravitatorio, en el campo eléctrico conviene definir una magnitud denominada potencial eléctrico. Una carga Q crea a su alrededor un campo eléctrico, que es una magnitud vectorial. Podemos suponer, además, que la presencia de Q crea a su alrededor una propiedad escalar denominada potencial eléctrico, de tal forma que, al situar en un punto próximo a Q una carga q, esta adquiere una energía potencial. Podemos definir el potencial eléctrico en un punto como la energía potencial por unidad de carga positiva colocada en ese punto. La unidad de potencial eléctrico es el voltio (V), que equivale a un julio por coulombio (J/C).

Electronvoltio

El electronvoltio es el trabajo necesario para transportar la carga de un electrón entre dos puntos de un campo eléctrico cuya diferencia de potencial es de 1 voltio.

Superficies Equipotenciales

Las superficies equipotenciales son aquellas superficies que se encuentran al mismo potencial. El trabajo para desplazar una carga a lo largo de una superficie equipotencial es cero. El vector intensidad de campo eléctrico es perpendicular en todos sus puntos a una superficie equipotencial.

Campo Magnético

Un imán o una carga en movimiento dotan a los puntos del espacio de una propiedad llamada campo magnético. Para caracterizar el campo magnético, se emplea el vector inducción magnética.

Acción de un Campo Magnético sobre una Carga en Movimiento

Al ser la fuerza que actúa perpendicular a la velocidad, la aceleración que se produce es una aceleración normal, por lo que el módulo de la velocidad no cambia, pero sí lo hace su dirección.