Campo Eléctrico: Conceptos, Líneas de Campo y Flujo

Definición de Campo Eléctrico

El campo eléctrico es el espacio que rodea a una carga o a una distribución de cargas. Es una región en la cual se manifiestan fuerzas de atracción o de repulsión entre cargas. Una carga (la fuente) crea un campo eléctrico en todo el espacio. Para detectar que está presente en un determinado punto, se coloca allí una carga de prueba o testigo y se mide la fuerza electrostática que actúa sobre ella.

Carga de Prueba

Una carga de prueba es una carga considerada siempre positiva, que puede desplazarse de un punto a otro, alrededor de una carga positiva o negativa. Esta carga de prueba tiene un valor muy pequeño, de tal modo que no afecte el campo eléctrico de la carga fuente.

El vector campo eléctrico en un punto se define como la fuerza que se ejerce sobre una carga testigo positiva, dividida por la magnitud, q₀, de dicha fuerza. Si q es positiva, tiene el mismo sentido de . En tanto que si q es negativa, tiene sentido opuesto a .

Líneas de Campo Eléctrico

Las líneas de campo eléctrico son una ayuda visual para representar una configuración dada del campo eléctrico. Esta representación geométrica consiste en dibujar líneas imaginarias siguiendo los siguientes criterios:

1. Las líneas se dirigen de modo que, en cada punto, la tangente a dicha línea quede en la dirección del vector en ese punto.
2. La densidad de líneas (número de líneas por unidad de área perpendicular) es proporcional al módulo del campo .

Para trazar líneas de campo eléctrico se siguen las siguientes reglas:

1. Las líneas siempre comienzan en cargas positivas (+) y terminan en cargas negativas (-).
2. Las líneas son continuas en toda región libre de cargas.
3. Las líneas nunca se cruzan.

Campo Eléctrico de una Carga Puntual

Para hallar el campo eléctrico creado por una sola carga puntual Q, colocamos una carga testigo q a distancia r de Q y dividimos la fuerza de Coulomb por el valor de q.

Campo de Varias Cargas Puntuales

Si el campo se debe a más de una carga, los campos eléctricos individuales se combinan vectorialmente de la misma forma que lo hacen las fuerzas eléctricas.

El campo eléctrico en un punto P debido a un sistema de N cargas puntuales Q₁, Q₂, Q₃,…, es el resultante de la suma vectorial.

Movimiento de una Carga Puntual dentro de un Campo Eléctrico Uniforme

Cuando una partícula de carga q y masa m se sitúa en un campo eléctrico , la fuerza eléctrica ejercida sobre la carga es q . Si esta es la única fuerza ejercida sobre la partícula, debe ser la fuerza neta y, por ende, debe causar que la partícula se acelere. En este caso, la segunda Ley de Newton aplicada a la partícula produce:

Si es uniforme (es decir, constante en magnitud y dirección), entonces la aceleración es constante. Si la partícula tiene una carga positiva, la aceleración está en la dirección del campo eléctrico. Si la partícula tiene carga negativa, entonces la aceleración es en la dirección opuesta del campo eléctrico.

Casos de Movimiento

• Primer caso: Cuando la carga es lanzada en la misma dirección del campo eléctrico (), la carga se mueve en la misma dirección y sentido que las líneas de campo eléctrico. (Siempre y cuando la carga sea positiva).
• Segundo caso: Cuando se lanza la partícula perpendicular al campo, la trayectoria de la partícula es un arco de parábola (como en el caso del lanzamiento horizontal de proyectiles).

Flujo de un Campo Eléctrico Uniforme

El flujo del campo eléctrico es una medida del número de líneas de campo eléctrico que atraviesan una superficie.

El flujo de un campo eléctrico a través de una superficie plana se define como el producto de la componente de normal a dicha superficie, multiplicada por su área.

= Flujo de campo eléctrico, A = es el área del plano, θ = es el ángulo que forma la dirección de con la normal al plano.

La unidad SI del flujo del campo eléctrico es N.m²/C.