Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
El valor de la constante de proporcionalidad (K)depende de las unidades en las que se exprese F, q, Q y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9 109 Nm2/C2.
La ley de Coulomb nos describe la interacción entre dos cargas eléctricas del mismo o de distinto signo. La fuerza que ejerce la carga Qsobre otra carga q situada a una distancia r es.
| Donde | | |
La fuerza F es una fuerza central y consevativa.
La fuerza F es repulsiva si las cargas son del mismo signo y es atractiva si las cargas son de signo contrario.
Concepto de campo
Es más útil, imaginar que cada uno de los cuerpos cargados modifica las propiedades del espacio que lo rodea con su sola presencia. Supongamos, que solamente está presente la carga Q, después de haber retirado la carga q del punto P. Se dice que la carga Q crea un campo eléctrico en el punto P. Al volver a poner la carga q en el punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo eléctrico creado por la carga Q.
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| El punto P puede ser cualquiera del espacio que rodea a la carga Q. Cada punto P del espacio que rodea a la carga Q tiene una nueva propiedad, que se denomina campo eléctrico E que describiremos mediante una magnitud vectorial, que se define como la fuerza sobre la unidad de carga positiva imaginariamente situada en el punto P.
La unidad de medida del campo en el S.I. de unidades es el N/C |
En la figura, hemos dibujado el campo en el punto P producido por una carga Q positiva y negativa respectivamente.
Relaciones entre fuerzas y campos
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| Una carga en el seno de un campo eléctrico E experimenta una fuerza proporcional al campo cuyo módulo es F=qE, cuya dirección es la misma, pero el sentido puede ser el mismo o el contrario dependiendo de que la carga sea positiva o negativa. |
Campo eléctrico de una carga puntual
El campo eléctrico de una carga puntual Q en un punto P distante r de la carga viene representado por un vector de
- módulo vale
- dirección radial
- sentido hacia afuera si la carga es positiva, y hacia la carga si es negativa
El potencial del punto P debido a la carga Q es un escalar y vale
Un campo eléctrico puede representarse por líneas de fuerza, líneas que son tangentes a la dirección del campo en cada uno de sus puntos.
La fuerza de atracción entre dos masas es conservativa, del mismo modo se puede que la fuerza de interacción entre cargas es conservativa.
El trabajo de una fuerza conservativa es igual a la diferencia entre el valor inicial y el valor final de una función que solamente depende de las coordenadas que denominamos energía potencial.
La energía potencial viene dada por una fórmula similar a la energía potencial gravitatoria.
El nivel cero de energía potencial se ha tomado en el infinito.
Del mismo modo que hemos definido el campo eléctrico, el potencial es una propiedad del punto P del espacio que rodea la carga Q, que definimos como la energía potencial de la unidad de carga positiva imaginariamente situada en P. El potencial es una magnitud escalar.
La unidad de medida del potencial en el S.I. de unidades es el volt (V).
Concepto de flujo del campo eléctrico
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| Se denomina flujo del campo eléctrico al producto escalar del vector campo por el vector superficie Flujo =E·S El vector superficie es un vector que tiene por módulo el área de dicha superficie, la dirección es perpendicular al plano que la contiene. Cuando el vector campo E y el vector superficie S son perpendiculares el flujo es cero. |
Si la superficie no es plana se divide la superficie en pequeñas superficies infinitesimalmente pequeñas. Entonces el flujo que atraviesa a cada una de ellas es infinitesimalmente pequeño y para hallar el flujo total habrá que valerse de una integral.
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| El flujo saliente es positivo y el entrante es negativo. (En el dibujo flujo positivo) |
Ley de Gauss
Para el caso del flujo del campo eléctrico creado por una carga puntual situado en el centro de una esfera a través de la superficie de esta, el campo en todos los puntos de la superficie de la esfera tienen el mismo valor (están a la misma distancia de la carga), y el vector normal a la superficie es paralelo a E. Por tanto:
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Conductores en equilibrio electroestático
Algunos materiales, como la mayoría de los metales contienen partículas que pueden moverse libremente a través del medio. Estos materiales reciben el nombre de conductores. En presencia de un campo eléctrico tas cargas de un conductor se acumulan sobre la superficie hasta que el campo que producen iguala completamente al campo externo aplicado dentro del conductor produciendo el equilibrio. Por tanto, en el interior de un conductor que están en equilibrio eléctrico el campo eléctrico es nulo. Por la misma razón el campo eléctrico en la superficie debe ser normal, ya que si tuviera una componente paralela, las cargas se moverían sobre la superficie del conductor. Como el campo eléctrico en el interior es cero todos los puntos del conductor están la mismo potencial (E=-dV/dr)
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