Campo Eléctrico: Conceptos, Características y Comportamiento de la Materia
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Campo Eléctrico de una Carga Puntual
Dada una partícula cargada Q, esta crea una propiedad en el espacio llamada campo eléctrico, simbolizada por el vector E. Al colocar otra partícula cargada q a cierta distancia de Q, surge una interacción que cumple con la Ley de Coulomb. El campo electrostático creado por Q tiene las siguientes características:
- Indica la fuerza eléctrica ejercida por unidad de carga sobre cualquier partícula q colocada a cierta distancia de Q. Unidades en el Sistema Internacional: N C-1.
- Es un campo vectorial.
- Es un campo central. Sus líneas de campo son radiales.
- Es un campo conservativo.
- Es directamente proporcional a la carga Q que lo crea.
- Disminuye con el cuadrado de la distancia a Q.
La constante eléctrica K depende del medio. En el vacío, K0 = 9 · 109 N m2 C-2.
El campo eléctrico es conservativo porque el trabajo realizado por la fuerza electrostática entre dos puntos es independiente del camino seguido; solo depende de los puntos inicial y final. Por tanto, el trabajo realizado por la fuerza electrostática en un camino cerrado es cero.
Potencial Eléctrico de una Carga Puntual Positiva
El potencial electrostático en un punto (V) se define como la energía potencial eléctrica por unidad de carga positiva (por cada C) que almacenaría cualquier cuerpo con carga eléctrica colocado en ese punto del espacio.
Si la carga Q que crea el campo es positiva, el potencial V también será positivo en todo el espacio. V depende del medio (a través de la constante eléctrica K) y disminuye con la distancia. V es independiente del valor de la carga de prueba q colocada en el punto del espacio. Unidades: J/C = Voltio (V).
Campo Eléctrico Nulo entre Cargas Puntuales
Para determinar si el campo eléctrico puede ser nulo en un punto entre dos cargas puntuales del mismo valor q, se aplica el principio de superposición. El campo total en un punto es la suma vectorial de los campos producidos por cada carga de forma independiente: E = EA + EB.
Para que el campo total sea nulo, EA + EB = 0, lo que implica EA = -EB. Como ambas cargas son iguales (q), las distancias a las cargas también deben ser iguales.
Además, los vectores EA y EB deben:
- Tener la misma dirección: el punto debe estar en la misma recta que une las cargas.
- Tener sentidos contrarios: si las cargas tienen el mismo signo (positivo o negativo), el punto se encuentra entre ellas.
Por lo tanto, si las cargas tienen el mismo signo, el campo eléctrico se anula en el punto medio del segmento que las une.
Si las cargas tuvieran signos opuestos, sería imposible que se cumplieran las tres condiciones al mismo tiempo, con cargas del mismo valor absoluto.
Características del Campo Eléctrico de una Carga Puntual Positiva
El campo electrostático creado por una carga puntual positiva Q tiene las siguientes características:
- Indica la fuerza eléctrica ejercida por unidad de carga sobre cualquier partícula q colocada a cierta distancia de Q. Unidades en el Sistema Internacional: N C-1.
- Es un campo vectorial.
- Es un campo central. Sus líneas de campo son radiales.
- Es un campo conservativo.
- Es directamente proporcional a la carga Q que lo crea.
- Disminuye con el cuadrado de la distancia a Q.
La constante eléctrica K depende del medio. En el vacío, K0 = 9 · 109 N m2 C-2.
Representación del Campo Eléctrico
Relación entre Campo Eléctrico Uniforme y Potencial Eléctrico
En un campo eléctrico uniforme, las líneas de campo son rectas paralelas y las superficies equipotenciales son planos perpendiculares a dichas líneas. El trabajo realizado por el campo para llevar una carga q desde un punto 1 a un punto 2 se calcula como:
W = q (V1 – V2)
También se puede calcular el trabajo por su definición general:
W = F d cos α = q E d cos 0 = q E d
Igualando ambas expresiones:
q (V1 – V2) = q E d
Por lo tanto:
(V1 – V2) = E d
O bien:
E = (V1 – V2) / d
De aquí se deduce que el campo eléctrico también se puede expresar en V/m.