Campo Eléctrico

Ley de Coulomb

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Las fuerzas eléctricas tienen las siguientes características:

  • La fuerza es repulsiva si las cargas son del mismo signo. En cambio, si las dos cargas son de signo contrario, estos vectores tendrán sentidos contrarios; así, dos cargas de distinto signo se atraen.
  • Son fuerzas a distancia.
  • Se presentan a pares. Esto es, las fuerzas F12 y F21 tienen igual módulo y dirección, pero sentidos opuestos.

Campo Eléctrico

La intensidad del campo eléctrico, E, en un punto del espacio es la fuerza que actuaría sobre la unidad de carga positiva situada en ese punto.

El campo eléctrico creado por una carga tiene las siguientes propiedades:

  • Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, por lo tanto, se trata de un campo central.
  • Su sentido depende del signo de Q. Si la carga es negativa, el campo eléctrico se dirige hacia la carga.

Superficies Equipotenciales

Son las superficies obtenidas al unir los puntos del espacio que se encuentran al mismo potencial eléctrico. Tienen las siguientes propiedades:

  • El trabajo que realiza el campo eléctrico para trasladar una carga de un punto a otro de la misma superficie equipotencial es nulo.
  • Para el campo creado por una carga puntual, positiva o negativa, el potencial solo depende de la distancia a la carga.

Campo Magnético

Propiedades Generales de los Imanes

En un imán, la capacidad de atraer al hierro es mayor en sus extremos o polos. Los dos polos de un imán reciben el nombre de polo norte y polo sur.

  • El polo norte del imán se orienta hacia el norte geográfico de la Tierra y el polo sur del imán, hacia el sur geográfico. Polos de igual tipo se repelen y polos de diferente tipo se atraen.
  • Todo imán presenta dos polos magnéticos.

Explicación del Magnetismo Natural

Ampère sugirió que el magnetismo natural era debido a pequeñas corrientes cerradas en el interior de la materia. En la actualidad, identificamos esas pequeñas corrientes con el movimiento de los electrones en el interior de los átomos. En cualquier material existen muchos imanes de tamaño atómico orientados al azar y sus efectos se cancelan. En ciertas sustancias, estos dipolos magnéticos están orientados en el mismo sentido y se suman formando un imán natural.

Estudio del Campo Magnético

Las fuerzas magnéticas pueden ser debidas a corrientes eléctricas y a imanes. En ambos casos, las fuerzas son originadas por cargas eléctricas en movimiento. Una carga eléctrica en movimiento, además de crear un campo eléctrico, crea una nueva perturbación del espacio que llamamos campo magnético.

El campo magnético es la perturbación que un imán o una corriente eléctrica producen en el espacio que los rodea.

Esta perturbación del espacio se manifiesta en la fuerza magnética que experimenta cualquier otra carga en movimiento dentro del campo magnético. Una carga en reposo no experimenta fuerza magnética alguna.

Descripción del Campo Magnético

Para determinar la intensidad del campo magnético se define el vector campo magnético o inducción magnética, B.

Supongamos que en una región del espacio existe un campo magnético y que en ella situamos una carga de prueba:

  • Si la carga está en reposo, no actúa ninguna fuerza sobre ella.
  • Si la carga se mueve con una velocidad v, experimenta una fuerza magnética con las siguientes características:
    • Es proporcional al valor de la carga.
    • Es perpendicular a la velocidad.

A partir de lo anterior se define el vector inducción magnética, B, en un punto del espacio: su dirección es la del movimiento de las cargas.

Ley de Lorentz

La fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga eléctrica verifica las siguientes propiedades:

  • Si la carga está en reposo, no actúa ninguna fuerza sobre ella.
  • Si la carga se mueve con una velocidad v, experimenta una fuerza magnética con las siguientes características:
    • Es proporcional al valor de la carga |q|.
    • Es perpendicular a la velocidad v.

La fuerza magnética es perpendicular a la velocidad de la carga y al campo magnético. La fuerza magnética que actúa sobre una carga es siempre perpendicular a la velocidad de la carga, es decir, a su trayectoria. Por tanto, no realiza trabajo. La fuerza magnética, por ser siempre perpendicular al vector v, no puede modificar la velocidad de la carga. En cambio, puede modificar su trayectoria.

Si una carga positiva q entra en un campo magnético uniforme con una velocidad perpendicular al campo, la fuerza de Lorentz le obligará a seguir un movimiento circular uniforme.

Fuerza Magnética sobre un Elemento de Corriente

Un conductor por el que circula una corriente eléctrica experimenta una fuerza cuando está situado en un campo magnético. Esta fuerza es la resultante de todas las fuerzas de Lorentz que el campo magnético ejerce sobre las cargas. Consideramos un elemento de corriente I dl. La carga eléctrica que transporta este elemento en un tiempo dt es dq = I dt.

Fuerzas entre Corrientes Paralelas

Si las corrientes eléctricas tenían el mismo sentido, los hilos se atraían; mientras que si las corrientes eran de sentidos contrarios, los hilos se repelían. El vector v es perpendicular al conductor. La fuerza ejercida por el conductor 2 sobre el conductor 1, F21, tiene el mismo módulo y dirección, pero sentido contrario.