Ley de Coulomb y campo eléctrico de cargas puntuales

Resumen

El documento explica la ley de Coulomb, que describe la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales en función de su producto y de la distancia que las separa, junto con sus características. A continuación introduce el campo eléctrico y su intensidad, la expresión del campo creado por una carga puntual y la representación mediante líneas de campo. Con ello el estudiante aprende a calcular y visualizar la interacción eléctrica.

Puntos clave

La fuerza entre dos cargas es F = k·q1·q2/r², directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Las fuerzas eléctricas son atractivas si las cargas tienen signo contrario y repulsivas si tienen el mismo signo.
Son fuerzas a distancia, no requieren medio material y cumplen el principio de acción y reacción.
La intensidad del campo eléctrico se define como E = F/q0, la fuerza sobre la unidad de carga positiva.
El campo de una carga puntual es E = k·q/r² y su dirección es radial: hacia afuera si q es positiva y hacia la carga si es negativa.
Las líneas de campo salen de las cargas positivas, entran en las negativas, nunca se cruzan y su densidad indica la intensidad del campo.

Ponte a prueba

1. Ley de Coulomb

Dos cuerpos con cargas eléctricas de valor q1 y q2 se atraen o repelen mutuamente con una fuerza (F) directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que los separa.

Matemáticamente se expresa como:

F = k · q1 · q2 / r²

Donde k es la constante de Coulomb.

Características de las Fuerzas Eléctricas:

La dirección del vector fuerza es la de la recta que une las dos cargas.
Las fuerzas son atractivas si las cargas son de signo contrario, mientras que son repulsivas si las cargas son del mismo signo.
Son fuerzas a distancia. No es preciso que exista ningún medio material entre las cargas para que dichas fuerzas actúen.
Cumplen el principio de acción y reacción (Tercera Ley de Newton): siempre se presentan a pares, tienen igual módulo y dirección, pero sentidos contrarios.

2. Campo Eléctrico e Intensidad

Definición de Campo Eléctrico

Llamamos campo eléctrico a la perturbación que una carga eléctrica produce en el espacio que la rodea. Esta perturbación se manifiesta por la aparición de una fuerza eléctrica sobre cualquier otra carga (denominada carga de prueba) situada en dicho espacio.

Intensidad del Campo Eléctrico (E)

El campo eléctrico se describe mediante una magnitud vectorial denominada intensidad del campo eléctrico, representada por E. Este vector se define en cada punto del espacio como la fuerza eléctrica (F) que actuaría sobre la unidad de carga positiva (q₀) si se colocase en ese punto.

E = F / q₀

Campo Eléctrico Creado por una Carga Puntual (q)

Teniendo en cuenta la expresión de la fuerza eléctrica (Ley de Coulomb), podemos obtener la intensidad del campo eléctrico creado por una carga fuente puntual q en un punto P situado a una distancia r:

E = k · q / r²

La dirección del vector E es radial (en la línea que une la carga q con el punto P) y su sentido depende del signo de la carga q:

Si q es positiva, E apunta hacia afuera de la carga.
Si q es negativa, E apunta hacia la carga.

Representación del Campo Eléctrico: Líneas de Campo

Para visualizar el campo eléctrico creado por una carga o una distribución de cargas, se utilizan las líneas de campo (también llamadas líneas de fuerza). Estas son líneas imaginarias que cumplen las siguientes propiedades:

El vector campo eléctrico E es tangente a la línea de campo en cada punto.
Las líneas de campo nunca se cruzan.
Salen de las cargas positivas y entran en las cargas negativas.
La densidad de líneas (cuán juntas están) en una región es proporcional a la intensidad del campo eléctrico en esa región. A mayor densidad, mayor intensidad del campo.

Para una carga puntual, las líneas de campo son radiales:

Si la carga es positiva, las líneas son radiales y apuntan hacia afuera (campo de repulsión para una carga de prueba positiva).
Si la carga es negativa, las líneas son radiales y apuntan hacia la carga (campo de atracción para una carga de prueba positiva).

El campo tiene simetría esférica y su intensidad disminuye al alejarse de la carga (las líneas se separan).

Preguntas frecuentes

¿Qué dice la ley de Coulomb?

La ley de Coulomb establece que la fuerza entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Se expresa como F = k·q1·q2/r², donde k es la constante de Coulomb.

¿Qué es la intensidad del campo eléctrico?

Es una magnitud vectorial que describe el campo eléctrico en cada punto del espacio. Se define como la fuerza que actuaría sobre la unidad de carga positiva colocada en ese punto, E = F/q0.

¿Hacia dónde apunta el campo eléctrico de una carga puntual?

Si la carga es positiva, el campo apunta hacia afuera de la carga. Si la carga es negativa, apunta hacia la carga.