Conceptos Clave de la Electrostática: Interacción de Cargas y Energía Potencial
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La Ley de Coulomb: Fundamentos de la Interacción Electrostática
La Ley de Coulomb expresa matemáticamente la interacción electrostática, es decir, la interacción entre cargas eléctricas en reposo.
Definición de la Ley de Coulomb
La fuerza con la que interaccionan dos cargas eléctricas (Q1 y Q2) separadas una distancia r es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
El vector unitario ur representa la dirección de la recta que une ambas cargas, y su sentido corresponde a una separación relativa de estas.
Naturaleza de la Fuerza Electrostática: Atracción y Repulsión
Si las cargas son de distinto signo, la fuerza tendrá un sentido negativo, lo que indica una fuerza de atracción. Por el contrario, si las cargas son del mismo signo (positivas o negativas), la fuerza tendrá un sentido positivo, lo que significa una fuerza de repulsión. Es importante destacar esta diferencia con el campo gravitatorio, donde únicamente existe la atracción.
La Constante de Coulomb (k) y la Permitividad del Medio (ε)
La constante k depende del medio en el que se encuentran las cargas. Por esta razón, se suele expresar en función de otra constante fundamental: la permitividad o constante dieléctrica del medio (ε).
La fuerza varía con el inverso del cuadrado de la distancia, de forma similar a como lo hace la interacción gravitatoria.
Es una fuerza central y, por lo tanto, conservativa.
El Campo Eléctrico: Concepto y Propiedades
El campo eléctrico (también conocido como intensidad de campo eléctrico) es una magnitud vectorial que representa la fuerza que se ejerce sobre la unidad de carga positiva colocada en un punto. Al ser una magnitud vectorial, su dirección y sentido serán los mismos que los de la fuerza FE que el campo ejerce sobre la unidad de carga positiva. La unidad de campo eléctrico en el Sistema Internacional (S.I.) es el Newton por Coulomb (N/C).
Representación del Campo Eléctrico: Líneas de Fuerza
Un campo eléctrico se representa visualmente mediante líneas de fuerza, las cuales son tangentes al vector campo eléctrico en cada punto.
Cálculo del Campo Eléctrico a partir de una Carga Puntual
Aplicando la Ley de Coulomb, el campo eléctrico es una magnitud vectorial que representa la fuerza que ejerce la carga Q sobre la unidad de carga positiva colocada en el punto P. (ur representa un vector unitario).
El campo eléctrico es un vector de dirección radial. Si la carga que lo crea (Q) es positiva, el sentido es hacia fuera de la carga; si la carga (Q) es negativa, el sentido es hacia la carga.
El sentido del campo coincide con el sentido de movimiento que adquiriría una unidad de carga positiva abandonada en reposo en un punto del campo eléctrico.
El campo eléctrico es independiente de que exista o no una carga en el punto P. Según la expresión anterior, su valor depende únicamente de la carga Q que origina el campo y del inverso del cuadrado de la distancia al punto.
Dada la dependencia de E, todos los puntos situados a la misma distancia de la carga Q tienen el mismo valor de intensidad de campo.
Características de las Líneas de Fuerza
Las líneas de fuerza son una representación visual del campo eléctrico. Se dibujan de forma que su dirección y sentido coincidan con la dirección y sentido del campo eléctrico (es decir, la fuerza sobre la unidad de carga positiva) en cada punto. Estas líneas representan el camino que seguiría una carga positiva si fuera liberada en un punto de la línea.
Potencial Eléctrico: Energía y Trabajo en el Campo
El potencial eléctrico en un punto corresponde a la energía potencial eléctrica que adquiere la unidad de carga positiva colocada en ese punto.
Alternativamente, el potencial eléctrico en un punto corresponde al trabajo realizado por el campo eléctrico, cambiado de signo, para trasladar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta un punto P.
