Fundamentos de Electrostática: Cargas, Campos y Potencial Eléctrico
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Potencial electrostático
El potencial electrostático en un punto es la energía potencial eléctrica que adquiere la unidad de carga positiva colocada en ese punto. También puede definirse como el trabajo, cambiado de signo, que realiza el campo eléctrico para trasladar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta dicho punto.
El potencial creado por una carga puntual (Q) a una distancia (r) viene dado por la expresión: V = k · Q / r. Es una magnitud escalar y su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el voltio (V).
Si hay varias cargas puntuales, el potencial total en un punto se obtiene aplicando el principio de superposición, sumando algebraicamente los potenciales individuales. Las superficies equipotenciales son aquellas cuyos puntos tienen el mismo potencial; en el caso de una carga puntual, son superficies esféricas concéntricas con la carga.
Energía potencial eléctrica
La energía potencial eléctrica es la energía asociada a la posición que ocupa una carga dentro de un campo eléctrico creado por otra carga. Se relaciona con el trabajo mediante la expresión: W = -ΔEp.
Tomando como referencia el infinito, donde la energía potencial es cero, la energía potencial de una carga (q₂) situada a una distancia (r) de otra carga (q₁) es: Ep = k · q₁ · q₂ / r. Su unidad es el julio (J). Es positiva si las cargas tienen el mismo signo y negativa si tienen signo contrario.
Ley de Coulomb
La ley de Coulomb describe la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales en reposo. Establece que la fuerza con la que interactúan dos cargas (q₁) y (q₂), separadas una distancia (r), es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia: F = k · (q₁ · q₂) / r².
Es una fuerza central y conservativa, dirigida a lo largo de la recta que une las cargas. Es repulsiva si las cargas son del mismo signo y atractiva si son de signo contrario. Se mide en newtons (N). La constante (k) depende del medio y puede expresarse en función de la permitividad del entorno.
Campo eléctrico
El campo eléctrico es la región del espacio en la que una carga eléctrica produce una perturbación capaz de ejercer una fuerza sobre otra carga situada en ese punto. Se define como la fuerza que actúa sobre la unidad de carga positiva.
El campo eléctrico creado por una carga puntual (Q) a una distancia (r) viene dado por la expresión vectorial: vec{E} = k · Q / r². Es una magnitud vectorial y su unidad es el newton por culombio (N/C).
Su dirección es la recta que une la carga con el punto considerado y su sentido depende del signo de la carga: sale de las cargas positivas y entra en las negativas. Si intervienen varias cargas, el campo total se obtiene mediante la suma vectorial de los campos individuales. Las líneas de campo representan la trayectoria que seguiría una carga positiva libre, no se cortan y, en el caso de cargas puntuales, son radiales.