Campo Eléctrico
El campo eléctrico se considera como un intermediario entre las cargas. Podemos representar a la interacción como carga-campo-carga. Es decir, la primera carga establece un campo eléctrico, y la segunda carga interactúa con el campo eléctrico de la primera carga. Entonces determinaremos, por medición o por cálculo, el campo eléctrico establecido por la primera carga en cada punto en el espacio, y calcularemos la fuerza que el campo ejerce sobre la segunda carga situada en un punto en particular en el espacio.
El campo eléctrico es la fuerza por unidad de carga, y su unidad en el SI es el newton/coulomb (N/C).
E =
F
____
q˳
La dirección del vector E es la misma que la dirección de F, porque q0 es un escalar positivo.
La figura 1 ilustra el campo eléctrico que actúa como intermediario en la interacción entre dos cargas. En la figura 1a, la carga q1 establece un campo eléctrico en el espacio que la rodea, sugerido por el sombreado en la figura. El campo actúa entonces sobre la carga q2, dando por resultado la fuerza F2. A partir de la perspectiva de q1 como se muestra en la figura 1b, podríamos también aseverar que q2 establece un campo eléctrico y que la fuerza F1, sobre q1 es el resultado de su interacción con el campo de q2. Las fuerzas son, por supuesto, iguales y opuestas (F1 = - F2), aún cuando los dos campos eléctricos deban ser muy diferentes, si las cargas son diferentes.
Figura 1
Campo Eléctrico de cargas puntuales
Sea que una carga de prueba positiva q˳ esté situada a una distancia r de una carga puntual q. La magnitud de la fuerza que actúa sobre q˳ está dada por la ley de Coulomb,
1 q.q˳
F =
___ ____
4πε˳ r²
La magnitud del campo eléctrico en el lugar de la carga de prueba es
E =
__
q˳
F
=
___ ____
1 q
4πε˳ r²
La dirección de E es la misma que la dirección de F, a lo largo de una línea radial que parte de q, apuntando hacia afuera si q es positiva y hacia adentro si q es negativa. La figura 2 muestra la magnitud y la dirección del campo eléctrico E en varios puntos cercanos de una carga positiva puntual.
Para hallar E para un grupo de N cargas puntuales, el procedimiento es el siguiente:
1) Calcule E, debido a cada carga i en el punto dado como si ésta fuera la única carga presente.
2) Sume vectorialmente estos campos calculados por separado para hallar el campo resultante E en el punto. En forma de ecuación, E = E1 + E2 + E 3 + • • • = ΣEt ( i =1,2,3......N).
La suma es una suma vectorial, considerando todas las cargas. La ecuación anterior es un ejemplo de la aplicación del principio de superposición, el cual afirma, en este contexto, que en un punto dado los campos eléctricos debidos a distribuciones de carga separadas simplemente se suman o se superponen de manera independiente.
Líneas de Fuerza
Figura 2
El concepto del vector del campo eléctrico no lo utilizó Michael Faraday, quien siempre pensó en términos de líneas de fuerza. Si bien a estas líneas ya no asociamos la misma clase de realidad que Faraday, continúan proporcionándonos un modo conveniente e instructivo de representar el campo eléctrico, por lo que las usaremos con este propósito.
Figura 3
La figura 3 muestra las líneas de fuerza que rodean a una carga puntual positiva. Esta figura puede concebirse como una extensión de la figura 2, obtenida al situar la carga de prueba en muchos puntos alrededor de la carga central. Para el objeto de las ilustraciones en esta sección, vemos a una “carga puntual” como una pequeña esfera uniforme de carga más bien que a un punto matemático real. Además, conviene tener presente, al observar tales dibujos, que muestran sólo un plano bidimensional de un modelo tridimensional.
Nótense varias cualidades de la figura 3.
1) Las líneas de fuerza dan la dirección del campo eléctrico en cualquier punto.
2) Las líneas de fuerza se originan en cargas positivas y terminan en cargas negativas.
3) Las líneas de fuerza se trazan de tal modo que el número de líneas por unidad de área de sección transversal sea proporcional a la magnitud del campo eléctrico.