Principios Fundamentales del Electromagnetismo: Carga, Campo y Fuerza

Ley de Coulomb

La cuantificación de la fuerza entre cargas eléctricas se debe a Coulomb, quien utilizó una balanza de torsión. La Ley de Coulomb puede enunciarse como: “La fuerza con la que se atraen o repelen dos cargas es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”. Matemáticamente, se expresa como: F = K · (qQ/r²) u_r.

La constante eléctrica del medio (K) se define en función de otra constante que recibe el nombre de permitividad del medio (ε).

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 (masas o cargas) e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa. Además, ambas fuerzas son fuerzas centrales, pero existen también grandes diferencias. Las fuerzas gravitatorias son siempre atractivas, mientras que las eléctricas pueden ser también repulsivas. La G es la constante de la gravitación universal e independiente del medio, mientras que la k (o K) depende del medio en que se encuentran las cargas.

Concepto de Campo Eléctrico

Decimos que en una región del espacio existe un campo eléctrico si, al introducir en dicha región una carga eléctrica, esta experimenta una fuerza. La intensidad del campo eléctrico se define como la fuerza por unidad de carga eléctrica:

E = F/q = k · (Q/r²) · u_r

La intensidad del campo eléctrico en el S.I. se mide en N/C (Newtons por Culombio).

La fuerza eléctrica es una fuerza central y, por tanto, conservativa, por lo que se puede definir en cada punto una función escalar llamada energía potencial eléctrica:

U = k · (qQ/r)

Y el trabajo realizado entre dos puntos A y B es igual a menos la variación de la energía potencial (U) entre esos dos puntos. La energía potencial en un punto se puede definir como el trabajo realizado por la fuerza eléctrica para trasladar la carga desde el punto B hasta el infinito, ya que la energía potencial en el infinito vale 0.

Concepto de Carga Eléctrica

Es una propiedad de la materia, como lo es la masa. En la naturaleza existen dos tipos de cargas a las que se les asignan arbitrariamente los nombres de carga negativa (-) y positiva (+). La carga eléctrica es una magnitud escalar que, en el S.I., se mide en Culombios (C). Aunque se suelen emplear habitualmente los miliculombios (mC) y microculombios (µC).

Entre dos cuerpos con carga eléctrica aparecen fuerzas de atracción o repulsión. Si las cargas tienen el mismo signo, la fuerza es repulsiva; y si tienen distinto signo, son atractivas.

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

De este hecho se deduce:

• Un cuerpo tiene carga positiva (+) cuando tiene una carencia de electrones.
• Un cuerpo tiene carga negativa (-) cuando tiene un exceso de electrones.

Campo Magnético

Un imán o una carga en movimiento dota a los puntos del espacio de campo magnético. Este se caracteriza por el vector de inducción magnética B. Para caracterizar la inducción magnética, lo haremos a través de los efectos que produce sobre una carga eléctrica puntual.

Cuando situamos una carga eléctrica en un punto del espacio donde existen campos magnéticos, se observan los siguientes fenómenos:

1. Si la carga se encuentra en reposo, no actúa ninguna fuerza sobre ella.
2. Si la carga se encuentra en movimiento:
   1. Existe una dirección de la velocidad en la que no actúa ninguna fuerza sobre la carga.
   2. En aquella dirección de la velocidad que es perpendicular a la dirección anterior, la fuerza sobre la carga es máxima.
   3. La fuerza es perpendicular a la velocidad y su módulo es proporcional a la velocidad.
   4. La fuerza es proporcional a la carga y cambia de sentido si cambia el signo de la misma.

La relación matemática nos da la fórmula de la Fuerza de Lorentz: F = q(v x B). Esta fórmula indica que la fuerza es perpendicular al plano formado por la velocidad (v) y la inducción magnética (B).

También nos dice que la fuerza es máxima cuando la velocidad es perpendicular al campo magnético. Para determinar la dirección y el sentido de la fuerza, se utiliza la regla del producto vectorial (regla de la mano derecha).