Fundamentos de los campos eléctricos y la fuerza

¿Qué es un campo eléctrico?

La carga eléctrica es la cantidad de electricidad que tiene un objeto cargado. Si un objeto tiene más electrones que protones, está cargado negativamente. Si un objeto tiene menos electrones que protones, está cargado positivamente. La carga eléctrica se representa con el símbolo Q y se mide en una unidad llamada culombios (C). Si las dos cargas Q1 y Q2 están separadas por una distancia r [m], entonces la fuerza que actúa entre las cargas, representada como F [N], viene dada por la ley de Coulomb de la siguiente manera:

Un campo eléctrico (campo E) existe alrededor de un objeto cargado y es el área en la que existe una fuerza que actúa sobre esa carga eléctrica. Por ejemplo, una carga puntual* en el espacio aporta propiedades especiales a ese espacio circundante. Cuando aparece una carga puntual diferente, la fuerza que actúa en ese espacio actúa sobre esa carga puntual. Esto puede entenderse como la “esfera de influencia” de la carga. Como se muestra en la imagen, la fuerza de esta influencia es menor cuanto más nos alejamos del centro. La magnitud de un campo eléctrico se denomina intensidad del campo eléctrico, que se expande hacia el exterior desde el centro como se muestra en la imagen y se hace más débil a medida que aumenta la distancia desde la carga.

Debido a la naturaleza de los campos eléctricos, esta fuerza tiene direccionalidad, por lo que se expresa en forma vectorial. Un campo eléctrico tiene tanto magnitud como dirección.

Carga puntual: Una carga eléctrica situada en un objeto tan diminuto que su tamaño no es medible

Una carga puntual Q [C] en el espacio con una fuerza actuante F [N] tiene una intensidad del campo eléctrico como sigue:

E=F/Q[V/m]

La unidad de campo eléctrico [V/m] representa la diferencia de potencial por unidad de distancia. Reordenando esto, se obtiene:

F=QE[N]

Esto representa la fuerza de Coulomb, que es la fuerza que actúa sobre las cargas en el campo eléctrico.
A partir de la expresión anterior, la intensidad del campo eléctrico producida por la carga puntual se puede expresar de la siguiente manera:

Una carga puntual con una cantidad de carga Q [C] crea un campo eléctrico en el espacio que la rodea, cuya intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la carga puntual r [m].

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Líneas de fuerza eléctrica

La dirección del campo eléctrico es la dirección desde la carga positiva hacia la carga negativa.
Las líneas de fuerza eléctrica son líneas virtuales que representan la dirección del campo eléctrico, como se muestra en la siguiente imagen. La dirección de las flechas en las líneas de fuerza eléctrica muestra el campo eléctrico. El campo eléctrico se dirige de positivo a negativo.

Como se muestra a continuación, las líneas de fuerza eléctrica salen verticalmente de la superficie en el caso de un objeto cargado (conductor). Si las cargas superficiales de este objeto están distribuidas con la misma densidad, las líneas de fuerza eléctrica también estarán dispuestas a intervalos iguales. La densidad representa el tamaño del potencial. Un gran número de líneas de fuerza eléctrica dispuestas a intervalos cortos indica un campo eléctrico fuerte, mientras que un número menor de líneas de fuerza eléctrica con intervalos más amplios indica un campo eléctrico más débil.

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Teorema de Gauss

Cuando hay una carga en un campo eléctrico, puede calcular el campo eléctrico basándose en su cantidad y forma. El teorema de Gauss se utiliza para calcular campos eléctricos utilizando este enfoque. Calcular la fuerza eléctrica de un objeto cargado que se acerca y que actúa sobre el campo eléctrico puede ser útil para contrarrestar los problemas causados por la electricidad estática.
La siguiente tabla muestra las fórmulas basadas en el teorema de Gauss.
Basándose en el teorema de Gauss de la siguiente tabla, el cálculo del campo eléctrico alrededor de un punto o de una línea como diferente distribución de la carga eléctrica indica que la permitividad del objeto cargado es inversamente proporcional a la intensidad del campo eléctrico, mientras que la densidad de las líneas de fuerza eléctrica es directamente proporcional a la intensidad del campo eléctrico. En otras palabras, una forma de punta afilada tendrá una gran densidad de fuerza eléctrica y, en consecuencia, un campo eléctrico más intenso.