Fundamentos Esenciales de Electricidad y Magnetismo: Cargas, Campos y Dispositivos

Propiedades de la Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. Sus principales características son:

• Se conserva: La carga eléctrica total en un sistema aislado permanece constante.
• Está cuantizada: La carga eléctrica siempre es un múltiplo entero de una carga fundamental, la carga del electrón (e^-). El valor de esta carga elemental es aproximadamente 1,609 x 10^-19 Culombios (C). (Nota: El valor más comúnmente aceptado es 1,602 x 10^-19 C, pero se mantiene el valor del texto original).
• La fuerza entre cargas puntuales varía de modo inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas (ver Ley de Coulomb).

Ley de Coulomb

La Ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica (F) con la que se atraen o repelen dos cargas puntuales (q₁, q₂) es directamente proporcional al producto del valor absoluto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa:

F = k * (|q1 * q2|) / r2

Donde k es la constante de Coulomb.

Líneas de Campo Eléctrico

Las líneas de campo eléctrico son una representación geométrica de los efectos del campo eléctrico en una región del espacio. Deben cumplir las siguientes propiedades:

• Nacen en cargas positivas (q > 0) y terminan en cargas negativas (q < 0). Si solo hay un tipo de carga, se extienden hacia o provienen desde el infinito.
• Deben representar la simetría del sistema de cargas.
• Nunca se cortan entre sí.
• El número de líneas que entran o salen de una carga es proporcional al valor de dicha carga.
• La densidad de líneas en una región es proporcional a la intensidad del campo eléctrico en esa región.
• La dirección del campo eléctrico en un punto es tangente a la línea de campo en ese punto.

Ley de Gauss para el Campo Eléctrico

El flujo de campo eléctrico (Φ_E) a través de una superficie cerrada (S) es igual al valor de la carga neta encerrada (q_enc) por dicha superficie, dividido por la permitividad eléctrica del vacío (ε₀):

ΦE = ∫S E ⋅ dA = qenc / ε0

Conductores Eléctricos

Un conductor es un material que posee la propiedad de que sus cargas eléctricas (generalmente electrones) tienen movilidad cuando se encuentran bajo la acción de un campo eléctrico.

Características de un Conductor en Equilibrio Electrostático

• El campo eléctrico en su interior es nulo (E_int = 0).
• Como consecuencia, si un conductor está cargado, su carga neta se distribuye únicamente sobre su superficie externa. Esto se deduce de la Ley de Gauss: si E_int = 0 dentro de una superficie gaussiana contenida enteramente en el conductor, la carga interna (q_int) debe ser cero.
• El potencial eléctrico es constante en todo el conductor (es una superficie equipotencial).
• El campo eléctrico en la superficie externa es perpendicular a dicha superficie.

Conexión a Tierra de un Conductor

Cuando una bola metálica (o cualquier conductor) se conecta a tierra mediante un cable conductor, ocurre lo siguiente:

• Existe una transferencia de carga entre los conductores (la bola y la Tierra) hasta que sus potenciales eléctricos se igualan.
• Dado que el potencial de la Tierra se considera cero voltios (V_Tierra ≈ 0 V) por convención, toda la carga neta de la bola se transferirá hacia la Tierra. En consecuencia, la bola se descargará.

El Condensador

Un condensador es un dispositivo constituido por dos conductores (placas) dispuestos generalmente de forma cercana (por ejemplo, concéntrica o paralela) y que almacenan cargas iguales pero de signo contrario. Su función principal cuando se implementan en un circuito eléctrico es la de almacenamiento de carga eléctrica y, en algunos casos, como regulador de tensión.

A la aptitud de un condensador para almacenar carga se le llama capacidad eléctrica (C), y se define como la razón entre la carga (Q) almacenada en uno de los conductores y la diferencia de potencial (ΔV) entre ellos:

C = Q / ΔV

Donde:

• C: Capacidad (se mide en Faradios, F).
• Q: Carga almacenada en una de las placas (se mide en Culombios, C).
• ΔV: Diferencia de potencial entre las placas (se mide en Voltios, V).

Factores que Afectan la Capacidad de un Condensador y sus Limitaciones

La capacidad de un condensador depende de varios factores y tiene ciertas limitaciones:

• Geometría de los conductores:
  • Área (A) de las placas: La capacidad es directamente proporcional al área de las placas enfrentadas. Esta área está limitada geométricamente por el diseño físico del condensador.
  • Distancia (d) de separación entre placas: La capacidad es inversamente proporcional a la distancia. Una distancia muy pequeña puede llevar a la ruptura dieléctrica si el campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del material aislante.
• Material dieléctrico entre los conductores:
  • La introducción de un material aislante (dieléctrico) entre las placas aumenta la capacidad. La permitividad del material (ε) se relaciona con la permitividad del vacío (ε₀) y la permitividad relativa del dieléctrico (ε_r) mediante la ecuación: ε = ε₀ε_r. Un dieléctrico con mayor ε_r resultará en una mayor capacidad.

Corriente Eléctrica y Efecto Joule

La corriente eléctrica que circula por un conductor, como el filamento de una bombilla acoplada a una pila, puede no ser estacionaria (constante en el tiempo). Esto se debe a que la resistividad (ρ) de muchos materiales varía con la temperatura (T). Si la resistividad cambia, la resistencia (R) del conductor también cambia.

Si la tensión (V) aplicada por la pila es constante y la resistencia (R) es variable (debido a la temperatura), entonces la intensidad de corriente (I) también será variable, según la Ley de Ohm (I = V/R).

La variación de temperatura en un conductor por el que circula corriente se explica mediante el Efecto Joule. Este efecto describe cómo, cuando una intensidad de corriente (I) atraviesa una resistencia (R) durante un tiempo (t), parte de la energía eléctrica se disipa en forma de calor (Q):

Q = R * I2 * t

Interacción entre Corriente Eléctrica y Brújula

Una brújula se mueve al situarla cerca de una corriente eléctrica porque dicha corriente eléctrica crea un campo magnético (B) a su alrededor (descubierto por Oersted). La aguja de la brújula, que es un pequeño imán, se alinea con las líneas de este campo magnético generado por la corriente.

Tipos de Materiales Magnéticos

Los materiales reaccionan de diferentes maneras ante la presencia de campos magnéticos:

• Diamagnéticos: Se oponen débilmente al campo magnético externo, siendo repelidos por los imanes. Ejemplos: Cobre (Cu), Plata (Ag), agua.
• Paramagnéticos: Se magnetizan débilmente en la dirección del campo magnético externo, siendo atraídos levemente por los imanes. Ejemplos: Aluminio (Al), Oxígeno líquido (O₂ liq), Peróxido de calcio (CaO₂).
• Ferromagnéticos: Presentan una fuerte magnetización en la dirección del campo magnético externo y pueden permanecer magnetizados incluso después de retirar el campo (formando imanes permanentes). Ejemplos: Hierro (Fe), Níquel (Ni), Cobalto (Co), Magnetita (Fe₃O₄).

Alcance de la Ley de Coulomb y Campos Magnéticos

Es importante destacar que la Ley de Coulomb describe las fuerzas eléctricas entre cargas estáticas (en reposo). No es directamente aplicable para describir las fuerzas magnéticas, las cuales surgen fundamentalmente de cargas en movimiento (es decir, corrientes eléctricas). Los fenómenos magnéticos y las fuerzas magnéticas se describen mediante otras leyes, como la Ley de Biot-Savart y la expresión de la Fuerza de Lorentz.