Principios de Interacción Electromagnética: Leyes de Coulomb y Lorentz

Ley de Coulomb y Campo Eléctrico

LEY DE COULOMB: Esta ley representa la fuerza que experimentan dos cargas puntuales, Q y q, separadas por una distancia r, por estar cargadas: Fe = KQq/r². Dicha fuerza puede ser atractiva, si las cargas son de diferente signo, o repulsivas, si son de igual signo. Asimismo, son fuerzas que verifican el principio de acción y reacción, ya que ambas partículas cargadas generan fuerzas iguales y opuestas. En este ejemplo veremos dos cargas de igual signo y dos cargas de signo contrario (DIBUJO).

Por otro lado, se dice que en un punto existe un Campo Eléctrico (E) si en ese punto colocamos una carga eléctrica y dicha carga experimenta una fuerza eléctrica. El Campo Eléctrico (E) se puede definir como la fuerza que experimenta por unidad de carga: E = Fe/q. Este E es un vector y se mide en N/C. Se puede hallar otra expresión desde el punto de vista de la carga que crea dicho campo: E = KQ/r². El E, por tanto, es una perturbación que afecta a todo el espacio y que decrece con el cuadrado de la distancia. Para el caso concreto de una carga puntual o esférica, el E es radial y su sentido depende del signo de la carga (DIBUJO). En donde las superficies equipotenciales son superficies esféricas concéntricas, mientras que las líneas de fuerza son radiales y perpendiculares a las superficies equipotenciales.

Fuerza Magnética sobre Cargas y Conductores

FUERZA EJERCIDA POR UN CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME: La función que determina cómo afecta un campo magnético a una carga se determina por la denominada Ecuación de Lorentz, la cual viene dada por la siguiente expresión: Fm = q(v x B). Solo tiene sentido evaluar los efectos de un campo magnético sobre una carga en movimiento, ya que si el cuerpo no está cargado y/o no está en movimiento, la Fm será nula.

Ejemplos de Aplicación de la Ley de Lorentz:

a) Sobre una carga puntual en movimiento:

Si v y B son perpendiculares, la Fm también será perpendicular a dichos vectores, dado que la fuerza surge como resultado de un producto vectorial. Además, al ser constantes q, v y B, la fuerza también lo será. Además, como dicha fuerza es perpendicular a la trayectoria, generará un cambio en la dirección de v, pero no en su módulo. Teniendo en cuenta que, como consecuencia del producto vectorial, dicha fuerza es siempre perpendicular a la velocidad, se concluye que la carga realizará una trayectoria circular con v constante en módulo (DIBUJO).

Uno de los parámetros que caracteriza este movimiento es el radio de la trayectoria circular. Para determinarlo, basta con igualar la fuerza magnética con la fuerza centrípeta: Fm = Fc → qvB sen(90°) = mv²/r. Despejando r: r = mv/qB. Otro parámetro a determinar es el periodo de revolución, el cual es: T = 2πm/qB.

b) Sobre un conductor lineal de corriente eléctrica:

Si se aplica la Ley de Lorentz para el caso de conductores eléctricos por los que circula una corriente I: Fm = q(v x B) → Fm = I(L x B), donde L es el vector de longitud del conductor, orientado en el sentido de la corriente I. Un conductor con corriente I y longitud L inmerso en un campo magnético B experimenta una fuerza magnética (DIBUJO). Este es el fundamento físico del motor eléctrico.