Electrostática: Cargas, Fuerzas y Campos Eléctricos

1. Electrización

La electrización es el fenómeno por el cual los cuerpos adquieren carga eléctrica. Las cargas eléctricas provienen de las partículas que constituyen el átomo: el núcleo del átomo está constituido por protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga eléctrica). La corteza está constituida por electrones, provistos de carga negativa.

El número de protones de un átomo es igual al número de electrones; por tanto, el átomo es neutro en su conjunto. Ahora bien, un átomo puede ganar o perder electrones, con lo que queda cargado eléctricamente. Un cuerpo es neutro si sus átomos tienen tantas cargas positivas como negativas; está cargado positivamente si sus átomos tienen un defecto de electrones, y está cargado negativamente si sus átomos tienen un exceso de electrones.

1.1 Materiales Conductores y Aislantes

Llamamos materiales conductores a aquellos que permiten que las cargas eléctricas se desplacen libremente por su interior. Los materiales aislantes, por el contrario, no permiten el movimiento libre de las cargas.

2. Fuerzas Eléctricas

Una fuerza es toda acción capaz de alterar el estado de reposo o de movimiento de los cuerpos o de producir en ellos alguna deformación. Una característica importante de la fuerza es su carácter vectorial. Esto significa que una fuerza solo queda totalmente determinada cuando se conoce, además de su valor o módulo, la dirección y el sentido de su aplicación. Por eso, una fuerza se representa mediante un vector; es decir, un segmento orientado.

Las fuerzas eléctricas, o también llamadas electrostáticas, son las fuerzas atractivas o repulsivas que aparecen entre dos cuerpos que poseen cargas eléctricas.

2.1 Ley de Coulomb

La ley de Coulomb es la ley que relaciona la fuerza electrostática con los factores de que depende. Esta ley se enuncia así: la intensidad de la fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La ley de Coulomb se expresa así:

F = K(Q1 * Q2) / d2

Donde:

  • F es la fuerza eléctrica.
  • Q1 y Q2 son las cargas puntuales.
  • d es la distancia entre las cargas.
  • K es la constante de Coulomb (K = 9 x 109 N·m2/C2).

3. Campo Eléctrico

Llamamos campo eléctrico a la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener carga eléctrica.

3.1 Líneas de Fuerza

Supón que dispones de una carga eléctrica Q1 que crea a su alrededor un campo eléctrico. Si introduces en este campo una pequeña carga positiva Q2, a la que llamamos carga de prueba, ésta experimentará cierta fuerza eléctrica. A partir de las fuerzas eléctricas que actúan sobre Q2 en varios puntos del espacio, podemos dibujar unas líneas que se denominan líneas de fuerza y representan el campo eléctrico creado por Q1.

Las líneas de fuerza de un campo eléctrico se dibujan de manera que la fuerza eléctrica sobre una carga de prueba positiva es tangente a las líneas de fuerza en cada punto y tiene el mismo sentido que éstas.

3.2 Intensidad del Campo Eléctrico

Llamamos intensidad del campo eléctrico en un punto del espacio a la fuerza que experimenta la unidad de carga positiva colocada en ese punto. La intensidad del campo eléctrico se representa con la letra E. Es una magnitud vectorial, ya que se trata de la fuerza que actúa sobre la unidad de carga positiva. Su dirección es tangente a las líneas de fuerza en cada punto y su sentido coincide con el de ésta. Su módulo se calcula dividiendo la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga de prueba q entre el valor de la carga:

E = F / q

La unidad de intensidad del campo eléctrico en el S.I. es el newton por culombio (N/C).

Cálculo de la intensidad del campo eléctrico de una carga puntual: Calcularemos la intensidad del campo eléctrico creado por una carga puntual Q a partir de la ley de Coulomb.

4. Corriente Eléctrica

La expresión corriente eléctrica es utilizada con frecuencia en nuestra vida cotidiana. Así, decimos que un aparato funciona gracias a la corriente eléctrica o que por un conductor circula una corriente eléctrica. Pero, ¿a qué nos referimos con estas afirmaciones? ¿Hay algo que se desplace realmente por el interior del conductor?

Cuando aplicamos un campo eléctrico a un conductor, las cargas eléctricas se desplazan por su interior, originándose una corriente eléctrica. Se denomina corriente eléctrica al desplazamiento conjunto de las cargas eléctricas a través de un material conductor.

4.1 La Conducción en los Metales

Los conductores que utilizamos habitualmente para transportar la corriente eléctrica son los metales, como el cobre, ya que disponen de un elevado número de electrones libres que pueden desplazarse por el interior del conductor. Cuando aplicamos un campo eléctrico a un conductor metálico, los electrones se ven sometidos a una fuerza, por lo que se desplazan a través del conductor en sentido contrario al campo eléctrico. De esta manera, se genera la corriente eléctrica.