Interacción Electrostática. Ley de Coulomb
La carga eléctrica es la causa responsable de la interacción electromagnética, es decir, de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Las características de la carga eléctrica son:
- Existen dos tipos (positiva y negativa).
- Es una magnitud escalar.
- Aditividad (se suman).
- Complementariedad (la materia neutra).
- Es una magnitud cuantizada (cualquier carga es múltiplo de la carga elemental).
- Se conserva en sistemas cerrados.
- Su unidad en el S.I. es el culombio e = 1,6 * 10-19 C.
La interacción electrostática, es decir, la interacción entre cargas en reposo, viene descrita por la Ley de Coulomb: “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.
Las características de la interacción electrostática son:
- Es una fuerza central.
- Conservativa.
- Atractiva o repulsiva.
- Depende del medio.
- Es de largo alcance.
Campo y Potencial Electrostáticos
Una carga eléctrica perturba el espacio que le rodea; si se coloca otra carga en sus proximidades, aparecerá una fuerza sobre ella. Esa perturbación constituye el campo eléctrico (electrostático si es creado por cargas en reposo).
Se define la intensidad del campo eléctrico, E, en un punto como la fuerza por unidad de carga positiva colocada en ese punto: E = F / q. Si sustituimos la fuerza por la expresión que corresponde a la ley de Coulomb, obtenemos el campo creado por una carga puntual: E = KQ / r2
Las cargas positivas son fuentes de líneas de campo, mientras que las negativas son sumideros de líneas de campo.
Para determinar el campo creado por una distribución de cargas puntuales, aplicaremos el principio de superposición, que nos indica que el campo resultante es la suma de los campos que crearía, en ese punto, cada carga si estuviera sola.
El campo electrostático tiene unidades de N/C en el S.I. Por ser conservativo, tiene asociado un potencial electrostático V.
Flujo Eléctrico. Teorema de Gauss
Las líneas de campo constituyen una forma muy útil de representar un campo. Se trazan de manera que en cada punto del espacio sean tangentes al vector campo y su número, por unidad de superficie, sea proporcional al valor del campo eléctrico.
No se pueden cortar, ya que implicaría la existencia en el punto de corte de dos valores del campo, y son perpendiculares a las superficies equipotenciales.
El flujo del campo eléctrico (Φ) a través de una superficie es una medida del número de líneas de campo que atraviesa dicha superficie. Depende de:
- La intensidad del campo eléctrico (que determina el número de líneas por unidad de superficie).
- El tamaño de la superficie.
- La orientación relativa entre las líneas y la superficie.
Todo ello se puede indicar mediante la expresión: Φ = E * S = E cos(α), válida para campos uniformes y superficies planas. S es el vector superficie, cuyo módulo coincide con el área y es perpendicular por definición.
El flujo es máximo cuando los vectores E y S son paralelos, es decir, el campo es perpendicular a la superficie. El flujo es nulo si los vectores son perpendiculares, es decir, el campo es paralelo a la superficie.
Conductores y Dieléctricos
Según su comportamiento eléctrico, los materiales se pueden clasificar en dos grandes grupos: conductores y aislantes o dieléctricos.
Conductores:
- Poseen portadores de carga libres (electrones de valencia en metales, iones en disoluciones, etc.).
- En ausencia de campo eléctrico aplicado, los portadores de carga poseen un movimiento desordenado.
- Cuando se aplica un campo eléctrico externo, los portadores responden con un movimiento ordenado (corriente eléctrica).
- Un conductor está en equilibrio electrostático cuando no existe movimiento ordenado de carga en su interior y cumplen:
- El campo eléctrico en su interior tiene que ser nulo (si no, habría movimiento ordenado).
- Todos los puntos tienen que estar al mismo potencial.
- El vector campo eléctrico es perpendicular a la superficie.
- Si está cargado, las cargas se acumulan en la superficie.
Dieléctricos:
- No poseen portadores de carga libres.
- Por la acción de campos externos se pueden polarizar.
- La polarización es un desplazamiento de carga en cada molécula del material; se forman dipolos (conjunto de cargas positiva y negativa separadas).
- En presencia de campos externos, aparecen densidades de carga en las superficies, originándose un campo en el interior que se opone al externo. El resultado es que en el interior el campo externo se atenúa.