Fundamentos de Electrostática: Cargas, Campos y Ley de Gauss

Fundamentos de la Electrostática

Cargas eléctricas

Toda materia está formada por partículas (átomos); un átomo, a su vez, está compuesto por pequeños elementos.

Propiedades de la carga eléctrica

La materia se compone de protones y electrones, y su carga es una magnitud cuantizada. La carga eléctrica de cualquier cuerpo es siempre un múltiplo del valor de e.

Principio de conservación

Identifica el estado antes y después de que ocurra el fenómeno físico de la carga del sistema, aunque esta se encuentre distribuida de otra forma.

Campo eléctrico

Se define como la fuerza eléctrica F por unidad de carga que se ejerce sobre una pequeña carga de prueba positiva q₀ colocada en ese punto.

• El campo resulta de otras cargas eléctricas distribuidas en torno a la carga de prueba (en este caso, Q).
• La ecuación anterior define el campo debido a esta distribución de carga, no el campo que provoca la carga de prueba.
• La carga de prueba q₀ tiene que ser muy pequeña, de manera que su campo no perturbe al campo que se está midiendo.

Flujo eléctrico

Se representa por medio del número de líneas de campo eléctrico que penetran en una superficie. Cuando la superficie contiene carga neta, el número neto de líneas que atraviesa dicha superficie es proporcional a la carga neta en su interior.

• El número de líneas es independiente de la superficie que encierra la carga; esto es, en esencia, un enunciado de la Ley de Gauss.
• El número de líneas por unidad de área es proporcional a la magnitud del campo eléctrico; por lo tanto, el número de líneas que penetran la superficie es proporcional al producto EA.
• Las unidades del flujo eléctrico son: N·m²/C.
• Si la superficie no es perpendicular al campo, el número de líneas debe ser menor.

Flujo eléctrico total

El flujo eléctrico total a través de una superficie cerrada es igual a la carga eléctrica total (neta) presente en el interior de la superficie, dividida entre ε₀. Esta ley describe la relación general entre el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada, llamada superficie gaussiana, y la carga encerrada por la misma.

Potencial eléctrico

La diferencia de potencial entre dos puntos A y B dentro de un campo eléctrico se define como el cambio en la energía potencial del sistema cuando una carga de prueba q₀ se mueve entre dichos puntos, dividido entre la carga de prueba q₀.

La diferencia de potencial V_B – V_A es el valor negativo del trabajo por unidad de carga realizado por un campo eléctrico sobre una carga testigo positiva cuando esta se desplaza del punto A al B dentro de dicho campo.