Carga eléctrica y ley de Coulomb: propiedades, fuerza y potencial eléctrico
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Carga eléctrica y ley de Coulomb
La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de la interacción electromagnética.
Tiene las siguientes propiedades:
Puede ser positiva o negativa.
La carga total de un conjunto de partículas es la suma algebraica de las cargas individuales.
La carga eléctrica total de un sistema aislado se conserva.
La carga está cuantizada: solo se presenta en cantidades discretas, que son múltiplos enteros de la cantidad elemental |e| = 1,6·10-19 C. La carga de los electrones -|e| y la del protón +|e|.
La unidad de carga en el Sistema Internacional es el culombio (C).
La ley de Coulomb describe la interacción entre cargas eléctricas en reposo. La ley indica que la fuerza ejercida por la carga puntual q1 sobre otra q2 es proporcional al producto de las cargas, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa. Es atractiva o repulsiva según el signo de las cargas: repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos. Matemáticamente:
F = k · (|q1 · q2|) / r2 · û
Donde û es el vector unitario que va de q1 a q2. La constante de proporcionalidad se denomina constante de Coulomb y su valor es k = 9·109 N·m2/C2, donde ε0 es la permitividad o constante dieléctrica del vacío. En otros medios que no son el vacío, la constante tiene otros valores.
Nota: la carga q2 ejerce fuerza sobre q1, y la fuerza tiene sentido contrario a la que q1 ejerce sobre q2.
Nota: las fuerzas eléctricas estáticas cumplen el principio de superposición: la fuerza neta que ejerce un conjunto de cargas sobre otra carga es la suma vectorial de todas las fuerzas individuales ejercidas sobre ella.
Energía potencial y potencial eléctricos
Energía potencial eléctrica
Supongamos dos cargas eléctricas puntuales: una q fija que crea un campo eléctrico, y otra q' que, bajo la acción del campo, es trasladada desde el punto A hasta el punto B.
Calculamos el trabajo realizado por el campo al trasladar q' desde el punto A al punto B.
Como la fuerza entre dos cargas es conservativa, tiene asociada una función de energía potencial eléctrica Ep (según la definición de la energía potencial). El trabajo realizado por la fuerza eléctrica al desplazar la carga entre dos puntos A y B es igual a la variación de la energía potencial cambiada de signo: WAB = -ΔEp.
Por otra parte, aplicando la propia definición de trabajo, y igualando el trabajo realizado por la fuerza eléctrica por ambos caminos, se deduce que la energía potencial eléctrica de una partícula de carga q' situada a una distancia r de otra partícula de carga q es:
Ep = k · (q · q') / r
Nota: la energía potencial es una magnitud escalar cuya unidad en el Sistema Internacional es el julio (J).
Nota: r representa la distancia entre las cargas.
Nota: bajo la única acción de la fuerza eléctrica, las cargas se mueven hacia posiciones que corresponden a la configuración de mínima energía potencial eléctrica:
Si q y q' tienen el mismo signo, conforme la distancia entre las cargas se hace mayor, la Ep disminuye. Esto explica que las cargas del mismo signo se repelen.
Si q y q' tienen signos distintos, conforme la distancia entre las cargas se hace mayor, la Ep aumenta. Esto explica que las cargas de signo distinto no se repelen, sino que se atraen.
Nota: principio de superposición: la energía potencial eléctrica total de un conjunto de cargas es la suma de las energías potenciales de todos los pares distintos de cargas que se pueden formar.
Potencial eléctrico
El campo eléctrico conservativo, por tanto, tiene asociado un campo escalar denominado potencial eléctrico.
Se define potencial eléctrico en un punto como la energía potencial que adquiere la unidad de carga positiva colocada en dicho punto.
En el Sistema Internacional se mide en voltios (V).
Nota: principio de superposición: el potencial debido a un conjunto de cargas es la suma escalar de los potenciales debidos a cada una de las cargas.
Inducción electromagnética: leyes de Faraday y de Lenz
Faraday y Henry llegaron de forma independiente a establecer la misma conclusión:
“Cuando un campo magnético fijo atraviesa la superficie encerrada por un conductor no se observa ninguna corriente eléctrica; sin embargo, si este campo es variable, se genera una corriente eléctrica en dicho conductor”.
Este fenómeno se da en las siguientes circunstancias:
Si se acerca un imán al circuito o se aleja de él, o bien el circuito se mueve con respecto al imán.
Si hay un movimiento relativo entre un circuito y otro circuito, y uno de ellos transporta una corriente continua.
Si el segundo circuito transporta una corriente variable, aunque ambos estén en reposo.
Si se deforma el circuito en el que hay un campo magnético.
El fenómeno de la inducción puede explicarse mediante las siguientes leyes:
Ley de Faraday: “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la variación temporal (velocidad con que varía) del flujo del campo magnético que lo atraviesa”.
Ley de Lenz: explica el significado del signo negativo, que indica el sentido en que circula la corriente inducida. La ley de Lenz podemos expresarla de la siguiente forma: “La f.e.m. inducida en un circuito origina una corriente cuyo campo magnético se opone a la variación del flujo que la origina”.
Nota: una de las aplicaciones del principio de inducción electromagnética es la generación de corriente eléctrica, con la transformación de trabajo mecánico en electricidad (por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas).