El campo electrostático
El vector campo eléctrico
La presencia de una o varias cargas eléctricas en el espacio induce en su entorno un campo eléctrico (de símbolo E), que influye en el comportamiento de otras cargas circundantes. El valor cuantificado de esta interacción se determina por la intensidad de campo eléctrico, que se define como la fuerza que actúa en un punto dado del campo por unidad de carga positiva.
- La dirección del campo es la de la recta que une la posición de la carga que lo engendra con la del punto donde se mide el campo.
- El sentido del campo es, por convenio, repulsivo cuando la carga origen es positiva y atractivo si dicha carga es negativa (coincide con el de la fuerza electrostática).
- El módulo del campo depende del valor de la carga que lo crea, su signo, el medio y la distancia de dicha carga a aquella en la que se mide la perturbación.
Módulo, sentido y dirección del campo eléctrico. La carga (a) es positiva y la (b), negativa.
Valor del módulo del campo eléctrico
Por la propia definición de campo eléctrico, el módulo de su intensidad es directamente proporcional a la carga que crea el campo e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia donde se miden sus efectos:
Las líneas de campo
Para comprender mejor el concepto de campo eléctrico se recurre a representaciones visuales basadas en líneas de campo o de fuerza, para indicar la dirección, el sentido y la intensidad del campo.
En esencia, las líneas de campo señalan cómo se comportaría una carga eléctrica positiva cuyo valor es la unidad, cuando se introdujera en el dominio de acción del campo eléctrico representado.
Según este enfoque, el campo eléctrico es abierto, ya que sus líneas de fuerza nunca entran y salen en una misma carga.
Líneas de fuerza de un campo eléctrico. Mientras que las líneas creadas por una carga positiva salen de la carga (a), las engendradas por una carga negativa se sumergen en ella (b).
Líneas de fuerza de un sistema de cargas. Las líneas de campo salen de la carga positiva y entran en la negativa.
El dipolo eléctrico
El estudio del campo eléctrico es particularmente interesante en un sistema conocido por dipolo eléctrico, que está constituido por dos cargas de igual valor, una positiva y otra negativa, situadas a una cierta distancia, en general pequeña.
La característica principal del dipolo eléctrico es el momento dipolar, que se define como el producto del valor de la carga por la distancia que existe entre ambas cargas. Esta magnitud es vectorial, y matemáticamente se escribe como:
Al introducir un dipolo eléctrico en un campo electrostático, el dipolo tiende a reorientarse con su carga positiva apuntando en el sentido de las líneas del campo. La acción del campo crea así un momento de giro M definido por la expresión:
A escala atómica, algunas moléculas tienen un momento dipolar permanente (como el agua), que influye de forma decisiva en algunas de sus propiedades químicas. Tales moléculas se denominan polares.
Michael Faraday
Michael Faraday (1791- 1867) fue el primero en introducir el concepto de campo en el que se apoyan numerosas teorías modernas de la física.También se le considera uno de los fundadores del electromagnetismo y, en su honor, se ha llamado faradio a la unidad de capacidad eléctrica.
El alcance del campo eléctrico
Al duplicar el valor de la carga se dobla también la intensidad del campo eléctrico asociado, con lo que las líneas de campo se aprietan y duplican su densidad.
Aunque en teoría la perturbación introducida por un campo eléctrico en el espacio se extendería ilimitadamente hasta el infinito, lo cierto es que sus efectos dejan de ser apreciables a partir de una distancia determinada. A grandes rasgos, puede decirse que el campo eléctrico predomina sobre otras interacciones desde la escala atómica (para distancias mayores de 10 -13 cm) hasta la macroscópica normal manejada en la Tierra. Para distancias menores son más intensas las fuerzas nucleares, mientras que en la escala cósmica predominan las gravitatorias.
Cargas eléctricas extensas
Cuando las dimensiones del cuerpo que posee carga eléctrica no son insignificantes, se habla de carga extensa, y no puntual.
En los cuerpos extensos cargados, se considera que:
· La carga eléctrica total es igual a la suma de las cargas elementales que posee (por ejemplo, el número de partículas cargadas eléctricamente).
· Todas las cargas libres de un conductor se distribuyen sobre su superficie, con lo que en el interior la carga eléctrica es nula.
· El campo electrostático creado en el entorno del cuerpo se calcula como si toda su carga estuviera concentrada en su centro geométrico.