Fundamentos de Electrostática: Cargas, Campos y Leyes Esenciales

Carga Eléctrica

Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. Estas dos cargas están cuantizadas, es decir, todas las cargas observadas en la naturaleza se presentan como múltiplos enteros de una unidad fundamental de carga, denotada como e (la carga del electrón es -e y la del protón es +e).

La carga se conserva; es decir, la carga neta de un sistema aislado no cambia (principio de conservación de la carga).

La unidad fundamental de carga en el Sistema Internacional (SI) es el culombio (C). Un culombio es la cantidad de carga que fluye a través de la sección transversal de un conductor en un segundo cuando la intensidad de corriente en el mismo es de un amperio (1 C = 1 A·s).

Tipos de Materiales según su Conductividad

Conductores

En muchos materiales, tales como el cobre y otros metales, algunos de los electrones (denominados electrones de conducción) pueden moverse libremente en el seno del material. Estos materiales se denominan conductores.

Aislantes

En otros materiales, tales como la madera o el vidrio, todos los electrones están fuertemente ligados a los átomos próximos y ninguno puede moverse libremente con facilidad bajo la influencia de un campo eléctrico. Estos materiales se denominan aislantes o dieléctricos.

Ley de Coulomb

La fuerza eléctrica ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une. Sus características principales son:

• Varía inversamente con el cuadrado de la distancia (r) que separa las cargas.
• Es directamente proporcional al producto de las magnitudes de ambas cargas (q₁ y q₂).
• Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si las cargas tienen signos opuestos.

Campo Eléctrico

Una carga eléctrica crea un campo eléctrico (E) en todo el espacio circundante. Este campo ejerce una fuerza sobre cualquier otra carga presente en él. La intensidad del campo eléctrico en un punto se define como la fuerza eléctrica (F) por unidad de carga positiva de prueba (q₀) situada en ese punto: E = F/q₀.

Su unidad en el Sistema Internacional es Newton por culombio (N/C).

Líneas de Campo Eléctrico

Una línea de campo eléctrico es una línea imaginaria trazada de tal forma que su dirección en cualquier punto es tangente a la dirección del campo eléctrico en ese punto. Las propiedades de las líneas de campo son:

• Son abiertas; es decir, tienen un principio y un fin.
• Se originan en las cargas positivas (o en el infinito) y terminan en las cargas negativas (o en el infinito).
• Nunca se cruzan, ya que el campo eléctrico tiene un valor único (magnitud y dirección) en cada punto del espacio.
• El número de líneas que emanan de una carga positiva o que terminan en una carga negativa es proporcional a la magnitud de dicha carga.
• La densidad de líneas de campo (número de líneas por unidad de área perpendicular a las líneas) es proporcional a la magnitud del campo eléctrico en esa región: donde las líneas están más juntas, el campo es más intenso.

Flujo Eléctrico

La magnitud relacionada con el número de líneas de campo eléctrico que atraviesan una determinada superficie se denomina flujo eléctrico (Φ_E). Representa una medida de la cantidad de campo eléctrico que pasa a través de dicha superficie.

Su unidad en el Sistema Internacional es Newton metro cuadrado por culombio (N·m²/C).

Conductores en Equilibrio Electrostático

Un conductor está en equilibrio electrostático cuando no hay un movimiento neto de carga en su interior. En esta situación, se cumplen las siguientes propiedades:

• Todo conductor posee cargas eléctricas (generalmente electrones) con libertad de movimiento en el volumen que delimita su superficie.
• Cualquier carga neta en exceso reside exclusivamente en la superficie del conductor.
• El campo eléctrico en el interior del conductor es nulo.
• El campo eléctrico justo en el exterior de la superficie de un conductor cargado es perpendicular a dicha superficie en cada punto.
• El potencial eléctrico es constante en todo el conductor (tanto en la superficie como en el interior).

Dipolos Eléctricos

Un dipolo eléctrico está constituido por un par de cargas puntuales de igual magnitud (q) y signos opuestos (+q y -q), separadas por una pequeña distancia d.

Su característica principal es el momento dipolar eléctrico (p), que es una cantidad vectorial. Su magnitud es p = qd, y su dirección es a lo largo de la línea que une las cargas, apuntando desde la carga negativa hacia la carga positiva.