En este artículo aprenderás los conceptos básicos de los campos eléctricos y sus leyes entendiendo las fuerzas que los rigen y como se realizan los cálculos para resolver problemas, lo cual abrirá el camino para el manejo de conceptos más avanzados en Electricidad y Magetismo.
Si quieres aprender a programar en Java sigue este link
Si quiere entender las tecnologías más moderas en las empresas sigue este link
1. Las cargas eléctricas
La carga eléctrica es una propiedad de las partículas y las cuales generan los llamados campos eléctricos, así mismo y a diferencia de la masa la carga puede ser positiva o negativa, las siguientes propiedades definen las cargas:
- Las cargas de diferente signo se atraen mientras que las cargas iguales se repelen.
- La carga se conserva.
- La carga esta cuantizada, es decir existe en múltiplos de la carga fundamental del electrón.
En estos conceptos hay dos aspectos más a considerar, el primero es que hay estudios y experimentos que muestran partículas con cargas fraccionarias del electrón, llamado quarks, segundo que la carga del protón es exactamente la misma del electrón pero de signo contrario y tercero y esto es una opinión personal, aunque podamos describir las cargas según los efectos que producen aun no entendemos bien que son, observe como una pregunta tan simple como qué es una carga no tiene una respuesta muy clara.
2. Conductores, semiconductores y aislantes
Seguramente has escuchado hablar de conductores los cuales asociamos directamente con metales y tal cual es así, los conductores poseen una estructura atómica que hace que en el último nivel de valencia los electrones están muy débilmente ligados al núcleo permitiendo su libre movimiento, a diferencia de los semiconductores que normalmente tienen la mitad de su último nivel lleno proporcionando cierta dificultad al movimiento de los electrones, estos materiales son sobre todo germanio y silicio, aunque existen otros compuestos, finalmente los aislantes tienen lleno su último nivel y no permiten que las cargas se muevan libremente.
3. Ley de Coulomb
Esta ley es muy parecida a la ley de gravitación universal de Newton de hecho las fórmulas tienen la misma forma, quizás la principal diferencia radica en que mientras la ley de la gravedad relaciona la fuerza que atrae dos masas la Ley de Coulomb relaciona la fuerza que atrae y repele dos cargas, estas fuerzas son proporcionales al producto de las cargas (o masas) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La siguiente ecuación vectorial establece esta fuerza.
$\mathbf F_{12}=k_e\frac{q_1q_2}{r^2}\mathbf r$
El vector $\mathbf r$ indica el sentido de las fuerzas y es un vector unitario dirigido desde $q_1$ hacia $q_2$ y $k_e=8.99×10^9 N \cdot m^2/C^2$ donde C es la unidad de carga eléctrica conocida como Coulomb, y en la naturaleza la carga más pequeña conocida es la del electrón o protón que difieren solo en su signo negativo o positivo respectivamente y en magnitud es igual a $\mid e \mid = 1.602×10^{19} C$.
Note que esta fórmula sólo modela el fenómeno pero no indica la naturaleza de las cargas o explica porque se atraen o repelen. En cuanto a la gravedad, Newton modelo el fenómeno pero no fue hasta Einstein que se logró comprender la gravedad como una deformación del espacio-tiempo. En el caso de las cargas aun no tenemos esta comprensión y hasta el momento solo podemos establecer las relaciones matemáticas que modelan los campos eléctricos.
4. Campos eléctricos
El concepto de campo es una construcción abstracta para indicar una región de influencia, en el caso del campo eléctrico (ya que existen muchos tipos de campos) este concepto sirve para entender una carga como puede llegar afectar a otras cargas de prueba en un punto dado del espacio, por lo cual el campo termina siendo la fuerza que ejercería una carga sobre otra carga de prueba en el espacio.
De esta manera definimos el campo eléctrico como:
$\mathbf E = \frac{\mathbf F}{q_0}$
O de forma equivalente
$\mathbf E = k_e\frac{q}{r^2}\mathbf r$
Siendo $q$ la carga que produce el campo y $r$ la distancia a la cual una carga de prueba $q_0$ generaría una fuerza en el sentido del vector unitario $\mathbf r$ dirigido entre desde la carga $q$ hacia la carga $q_0$ ubicada a una distancia $r$ de $q$.
También podemos calcular el campo eléctrico debido a un conjunto de cargas puntuales teniendo en cuenta las contribuciones de cada una de estas cargas en el campo:
$\mathbf E = k_e \sum_i \frac{q_i}{r_i}\mathbf r_i$
De forma similar, podemos tener una carga distribuida e integrar en lugar de sumar para hallar el campo total debido a esta carga, como se muestra a continuación:
$\mathbf E = k_e \int \frac{q_i}{r_i}\mathbf r_i$
5. Líneas de campo
Las líneas de campo eléctrico son una forma útil de visualizar el campo en el espacio debido a una carga, además de permitir realizar cálculos útiles de cinemática clásica usando la leyes de Newton del movimiento, de esta forma podremos calcular la aceleración de una partícula con masa $m$ en el campo así:
$\mathbf a= \frac{q \mathbf E}{m}$
La siguiente imagen muestra una ilustración del campo eléctrico debido a una carga, note que este es radial y se dirige hacia afuera para cargas positivas y hacia adentro para cargas negativas.
Deja un comentario
Lo siento, debes estar conectado para publicar un comentario.