Joseph Priestley (1733 - 1804), realizando varios experimentos demostró que no existe ninguna electricidad en la superficie interior de una vasija metálica hueca, a partir de este resultado dedujo que la fuerza entre dos cargas varia varía proporcionalmente al inverso del cuadrado de las distancia entre ellas. Estos resultados fueron confirmados experimentalmente por Charles Coulomb (1736 - 1806), mediante la utilización de una balanza de torsión, para medir la fuerza que se ejercían diferentes cargas puntuales (Una carga puntual es aquella cuyas dimensiones espaciales son muy pequeñas en comparación con otra longitud pertinente al sistema considerado). Coulumb enunció lo siguiente:
- La interacción electrostática entre dos partículas cargadas es proporcional a sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas y su dirección es según la recta que las une.
Matemáticamente la relación encontrada se representa así:
donde q1 y q2 son las cargas eléctricas que están interactuando, r la distancia que las separa, r = r/r el vector unitario que define la dirección de la fuerza electrostática y k = (1/4pi.e0), es la constante eléctrica que depende del medio donde se efectue la interacción, por ejemplo cuando las cargas eléctricas se encuentran en el vacio esta toma un valor de: 8.854 187 817... E-12 C^2/N m^2.
Las características más importantes que se pueden mencionar de la fuerza eléctrica con las siguientes:
- Las fuerzas que actúan sobre las partículas, están dirigidas a lo largo de una recta que une sus centros, es decir es una fuerza central al igual que la gravitatoria.
- Es importante resaltar el hecho de que esta fuerza también cumple la ley del inverso del cuadrado al igual que la fuerza gravitatoria.
- La fuerza de Coulomb depende de las propiedades del medio en el que se encuentran las cargas que interaccionan, ello debido a que la constante eléctrica es una propiedad inherente del medio donde se desarrolle la interacción.
donde dq es el elemento de carga que se considerará para realizar la integración sobre todo el cuerpo.
* Se tiene que tomar en cuenta el signo algebraico de las cargas al momento de calcular la fuerza eléctrica, de ello depende obtener la fuerza en su dirección correcta.
El Campo Eléctrico
Conocida ya la fuerza electrostática, se hace necesario tener un modelo que explique esa interacción, para ello se introduce el concepto de campo eléctrico de la siguiente manera:
"En cualquier región del espacio se dirá que existe un campo eléctrico si es que en cualquier punto de esta región se ubica una carga eléctrica q0 y esta experimenta una fuerza de de origen eléctrico"
Así al campo eléctrico se lo definirá como una magnitud física vectorial, resultado de la existencia de la carga eléctrica, similarmente a que el campo gravitatorio se considera resultado de la existencia de la masa, es decir es una propiedad intrínseca de la materia, definiéndose de la siguiente manera:
E = F/q0
donde:
F: fuerza eléctrica sobre q0.
q0: carga de prueba, muy pequeña.
* Las unidades del campo eléctrico son N/C
* La magnitud del campo eléctrico indica cuantitativamente con que fuerza actúa un campo sobre una unidad de carga en un determinado punto .
- Si q0 es positiva, F y E estarán en la misma dirección.
- Si q0 es negativa, F y E estarán en direcciones opuestas.
* Se llama campo homogéneo si en cualquier punto, el vector campo eléctrico tiene la misma magnitud y dirección.
Para representar gráficamente el campo eléctrico por lo general se usan líneas de fuerza, las cuales son unas líneas imaginarias con las siguientes características:
- El vector del campo eléctrico, en un punto cualquiera del espacio tiene la misma dirección que la tangente a la línea de fuerza que pasa por el mismo.
- Las líneas de fuerza se originan en las cargas positivas (fuentes) y terminan en las cargas negativas (sumideros).
- Al representar las líneas de fuerza que se originan o terminan en una carga eléctrica, se suele dibujarlas de tal modo que el número de estas sea proporcional al valor de la carga, además la densidad de estas líneas en determinada región deberá de ser proporcional a la magnitud del campo en dicha región.
- Las líneas de fuerza son continuas y no se cruzan entre si, esto debido a que el campo eléctrico es único para cada punto, si cruzaran al ser un vector tangente, entonces habría más de un vector campo para el mismo punto donde se produzca el cruce.
Finalmente cuando se trata de uns distribución continua de carga, el campo eléctrico se obtendrá de la siguiente manera:
donde al llevar a cabo la integración se tiene que tener cuidado, pues la dirección del vector r, va cambiando a medida que dq alcanza la distribución de la carga. La distancia entre dq y P, también cambiará en diversos casos. Pero todo ello no es inconveniente pues las integrales vectoriales no presentan mayor complicación que las integrales normales. Lo importante a mencionar acá es que, el campo eléctrico en un determinado punto del espacio depende de factores como:
- la carga que crea el campo y su signo.
- la forma geométrica de la distribución de carga que crea el campo.
- la distancia del punto desde las distribuciones de carga
- la ubicación del punto respecto de la distribución de carga.
Con lo mencionado anteriormente, espero haber descrito la mayor parte de las cosas importantes sobre el fuerza electrostática y el campo eléctrico.
Saludos;
Ing. Raúl Matos
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