La carga eléctrica. Ley de Coulomb

INFOGRAFÍA: La electricidad Una de las interacciones fundamentales descritas por la física es la electricidad. Aunque conocidos desde antiguo, los fenómenos eléctricos no empezaron a ser explicados de forma sistemática hasta las postrimerías del siglo XVIII, y sólo a mediados del XIX se descubrió su estrecha relación con otra manifestación común de la naturaleza: el magnetismo.

La electricidad en la naturaleza

La carga eléctrica es una de las propiedades básicas de la materia. Aunque la comprensión extensa de sus manifestaciones se resistió durante siglos al escrutinio de la ciencia, ya hacia el año 600 a. C. los filósofos griegos describieron con detalle el experimento por el cual una barra de ámbar frotado atrae pequeños pedacitos de paja u otro material ligero (electrización por frotamiento).

Los fenómenos eléctricos, indivisiblemente unidos a los magnéticos, están presentes en todas partes, ya sea en las tormentas, la radiación solar o el cerebro humano. Modernamente, sus propiedades se aprovechan en múltiples campos de actividad, y la electricidad se ha convertido en una forma esencial de consumo y transporte de energía.

Por su naturaleza eléctrica, los cuerpos físicos se clasifican en conductores, que transmiten la electricidad fácilmente, y aislantes o dieléctricos, que oponen una resistencia elevada a su paso. Los semiconductores presentan una conductividad intermedia entre estas dos clases.

Cargas eléctricas

La esencia de la electricidad es la carga eléctrica. Esta cualidad existe en dos clases distintas, que se denominan cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

En realidad, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos: moléculas, átomos y partículas elementales. Por ello se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Además, las cargas se pueden mover o intercambiar, pero sin que se produzcan cambios en su cantidad total (ley de conservación de la carga).

En el estado normal de los cuerpos materiales, las cargas eléctricas mínimas están compensadas, por lo que dichos cuerpos se comportan eléctricamente

como neutros. Hace falta una acción externa para que un objeto material se electrice.

La electrización de un cuerpo se consigue extrayendo del mismo las cargas de un signo y dejando en él las de signo contrario. En tal caso, el cuerpo adquiere una carga eléctrica neta no nula.

Fuerza eléctrica

Los fenómenos de la electrización y la conducción pueden explicarse como el resultado de la acción de fuerzas eléctricas. Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se establece un tipo de fuerzas, llamadas electrostáticas, de tal forma que, si las partículas cargadas son suficientemente pequeñas como para que puedan considerarse puntuales, se cumple en las siguientes condiciones:

La fuerza establecida entre ambas tiene una dirección que coincide con una línea recta imaginaria que une las dos cargas.

La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva).

El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza repulsiva).

Ilustración de las fuerzas electrostáticas. En (a) las dos cargas son positivas o negativas; en (b)

una es positiva y la otra, negativa.

Ley de Coulomb

La magnitud de las fuerzas eléctricas de atracción y repulsión entre cargas se rige por el principio fundamental de la electrostática, también llamado ley de Coulomb. Esta ley establece que la fuerza de atracción (o repulsión) entre dos cargas eléctricas puntuales de distinto (o igual) signo es directamente proporcional al producto del valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:

La constante de proporcionalidad K se define del modo siguiente:

donde e0 es una constante denominada permitividad eléctrica del vacío, cuyo valor es 8,8542·10-12 C2/N·m2.

El campo electrostático

En la física moderna, la noción de fuerza ha sido progresivamente desplazada por la de campo. Aplicado a la electrostática, este concepto permite sustituir la idea de las fuerzas puntuales que nacen y mueren en las cargas eléctricas por el principio de que la sola presencia de una carga induce una perturbación en el espacio que puede afectar a cualquier otra carga presente en sus proximidades. El manejo de campos permite describir los fenómenos según las propiedades observadas, sin referirse a las causas originales que los producen.

El vector campo eléctrico

La presencia de una o varias cargas eléctricas en el espacio induce en su entorno un campo eléctrico (de símbolo E), que influye en el comportamiento de otras cargas circundantes. El valor cuantificado de esta interacción se determina por la intensidad de campo eléctrico, que se define como la fuerza que actúa en un punto dado del campo por unidad de carga positiva.

El campo eléctrico es una magnitud vectorial cuyas características son:

La dirección del campo es la de la recta que une la posición de la carga que lo engendra con la del punto donde se mide el campo.

El sentido del campo es, por convenio, repulsivo cuando la carga origen es positiva y atractivo si dicha carga es negativa (coincide con el de la fuerza electrostática).

El módulo del campo depende del valor de la carga que lo crea, su signo, el medio y la distancia de dicha carga a aquella en la que se mide la perturbación.

Módulo, sentido y dirección del campo eléctrico. La carga (a) es positiva y la (b), negativa.

Valor del módulo del campo eléctrico

Por la propia definición de campo eléctrico, el módulo de su intensidad es directamente proporcional a la carga que crea el campo e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia donde se miden sus efectos:

donde K es la misma constante que aparece en la ley de Coulomb de la electrostática, cuyo valor es 9 · 109 N·m2/C2, aproximadamente (ver t30).

Las líneas de campo

Para comprender mejor el concepto de campo eléctrico se recurre a representaciones visuales basadas en líneas de campo o de fuerza, para indicar la dirección, el sentido y la intensidad del campo.

En esencia, las líneas de campo señalan cómo se comportaría una carga eléctrica positiva cuyo valor es la unidad, cuando se introdujera en el dominio de acción del campo eléctrico representado.

Según este enfoque, el campo eléctrico es abierto, ya que sus líneas de fuerza nunca entran y salen en una misma carga.

Líneas de fuerza de un campo eléctrico. Mientras que las líneas creadas por una carga positiva

salen de la carga (a), las engendradas por una carga negativa se sumergen en ella (b).

Líneas de fuerza de un sistema de cargas. Las líneas de campo salen de la carga positiva y

entran en la negativa.

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Energía potencial electrostática. Condensadores

Las cargas eléctricas engendran a su alrededor campos de fuerzas centrados en ellas. De esta forma, su sola presencia en el espacio genera una energía potencial electrostática, de manera que el movimiento de otra carga cualquiera en sus cercanías produce un trabajo útil, por efecto del campo. En este efecto de potencial se basan los condensadores, unos

componentes muy comunes en los circuitos eléctricos y electrónicos.

Energía potencial de una carga puntual

Al campo electrostático asociado a una carga eléctrica puntual se asocia una energía potencial electrostática, que se define como el trabajo que hay que realizar para mover una carga desde una posición dentro del campo hasta el infinito. La energía potencial electrostática se expresa como:

siendo q la carga que crea el campo, q` la carga sometida a su acción, r la distancia que las separa y 0 la permitividad eléctrica del vacío.

El trabajo y la energía potencial electrostática son cantidades aditivas. Así, en un sistema de cargas eléctricas puntuales, la energía potencial total se calcula como la suma de las energías potenciales individuales correspondientes a cada carga.

Esquema de un sistema de cargas puntuales.

Potencial electrostático

Los campos de fuerzas centrales, como el electrostático, pueden describirse por una magnitud escalar característica denominada potencial. Se define así el potencial electrostático en un punto de un campo eléctrico como la energía potencial de carga unidad situada en dicho punto. Matemáticamente:

En circuitos eléctricos, se usa comúnmente la magnitud conocida como diferencia de potencial entre dos puntos situados en un campo eléctrico.Tal diferencia de potencial se simboliza por V1-V2.

Superficies equipotenciales

En los campos electrostáticos existen conjuntos de puntos que poseen un mismo potencial electrostático. Tales conjuntos se denominan superficies equipotenciales, y su visión gráfica ofrece una idea rápida de la naturaleza del campo.

Superficies equipotenciales. En (a) las creadas por dos cargas del mismo signo. En (b) las

engendradas por dos cargas de signo distinto.

Capacidad de un conductor

La relación entre la carga (Q) de un material conductor aislado y su potencial electrostático (V) se conoce por capacidad (C) del conductor, y posee un valor característico que depende de su composición y propiedades geométricas. La fórmula de la capacidad es:

Condensadores

La capacidad de almacenamiento de carga es una de las cualidades básicas de los condensadores. En su diseño más sencillo, estos dispositivos están constituidos por dos láminas conductoras, llamadas armaduras, que poseen cargas iguales y signos contrarios, entre las que se interpone un medio no conductor (dieléctrico). La capacidad de un condensador se define como:

donde Q es la carga eléctrica de cualquiera de sus armaduras y V1 – V2 la diferencia de potencial que existe entre ellas.

Los condensadores se usan para múltiples fines: almacenar energía eléctrica, crear campos eléctricos de intensidad especificada, formar circuitos eléctricos y electrónicos, etcétera