3. El campo eléctrico
3.1. El concepto físico de campo.
Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.
La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas ´este viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia.
Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea a La Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo (de pequeña masa, para que no modifique considerablemente la posición de las masas que originaron el campo) de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que La Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático.
3.2. El campo eléctrico.
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un
conjunto de cargas en reposo o con un movimiento muy pequeño es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.
Todo campo físico queda caracterizado por sus propiedades. En el caso del campo eléctrico, una forma de describir las propiedades del campo sería indicar la fuerza que se ejercería sobre una misma pequeña carga si fuera colocada sucesivamente en cada punto del espacio. El referirse a la misma carga de prueba permite comparar los distintos puntos del campo en términos de intensidad. Supongamos que tenemos un campo eléctrico E creado por un conjunto de cargas eléctricas en reposo o con movimiento muy pequeño; también suponemos que tenemos una pequeña carga de prueba q también en reposo. Entonces llamaremos intensidad del campo eléctrico E y la denotaremos como Ẻ a:
donde Ḟ es la fuerza que ejerce esa distribución de cargas sobre la carga q en cada uno de los puntos del espacio. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E, su dirección y su sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo Ẻ .
En realidad, tanto el campo electrostático como la fuerza electrostática son función del espacio y del tiempo, es decir, un campo electrostático o una fuerza electrostática tendrán siempre asociados un ´único vector para cada punto del espacio e instante de tiempo. Luego, se puede decir que tanto Ẻ como Ḟ dependen de cuatro variables que llamaremos x, y, z y t, y que representan, las tres primeras, las coordenadas cartesianas de un punto del espacio; y la ´ultima, el instante de tiempo.
Ésto último se puede representar poniendo Ẻ (x, y, z, t) o Ḟ(x, y, z, t) La expresión del módulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fácilmente para el caso sencillo del campo eléctrico creado por una carga puntual q1 sin más que combinar la ley de Coulomb con la definición de Ẻ .
La fuerza que q ejercería sobre una pequeña carga q2 en un punto genérico P a una distancia r de la carga central q1 viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, por:
Pero aquella es precisamente la definición de Ẻ y, por tanto, ésta será también su expresión matemática
Puesto que se trata de una fuerza electrostática, estará aplicada en P, dirigida a lo largo de la recta que une la carga central q1 y el punto genérico p, en donde se sitúa la carga unidad, y su sentido será atractivo o repulsivo según q1 sea negativa o positiva respectivamente.
A partir del valor de E debido a q1 en un punto P y de la carga q2 situada en ´el, es posible determinar la fuerza F en la forma
(3.3) Ḟ= q · Ẻ
Expresión que indica que la fuerza entre Q y q es igual a q veces el valor de la intensidad de campo E en el punto p.
Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variación con la posición hace más sencillos los cálculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas.
La unidad de intensidad de campo E es el cociente entre la unidad de fuerza y la unidad de carga; en el SI equivale, por tanto, al N/C.
3.3. Representación del campo eléctrico.
Es posible conseguir una representación grafico de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, las líneas de fuerza indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo.
El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.
Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas).
En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son <<manantiales>> y las segundas <<sumideros>> de líneas de fuerza.
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