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Campo eléctrico para niños

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El campo eléctrico es una región invisible alrededor de cualquier carga eléctrica donde otras cargas eléctricas sentirán una fuerza. Imagina que es como un "aura" o una "zona de influencia" que rodea a las cargas. Este campo nos ayuda a entender cómo las cargas se atraen o se repelen entre sí, incluso sin tocarse.

Los científicos usan un modelo especial para describir el campo eléctrico. Lo representan con un campo vectorial, que es como un mapa con flechas que muestran la dirección y la fuerza que sentiría una pequeña carga de prueba en cada punto. Si colocas una carga eléctrica q en un campo eléctrico, sentirá una fuerza eléctrica F. Esta fuerza se calcula con la siguiente fórmula:

(1)\mathbf{F} = q \mathbf{E}

Aquí, E representa el campo eléctrico.

Los campos eléctricos pueden ser creados por cargas eléctricas que están quietas o por campos magnéticos que cambian con el tiempo. Al principio, solo se consideraban las cargas eléctricas, como en la ley de Coulomb. Pero gracias a las investigaciones de Michael Faraday y James Clerk Maxwell, se descubrió que los cambios en los campos magnéticos también generan campos eléctricos.

No podemos "ver" el campo eléctrico directamente, pero sí podemos observar sus efectos cuando una carga se mueve o siente una fuerza dentro de él. La idea del campo eléctrico fue propuesta por Faraday en 1832.

La unidad para medir el campo eléctrico en el Sistema Internacional es el Newton por Culombio (N/C) o el Voltio por metro (V/m).

¿Qué es el campo eléctrico?

Cuando hay una carga eléctrica en un lugar del espacio, las propiedades de ese espacio cambian. Esta modificación es lo que llamamos campo eléctrico. Así, si introduces otra carga eléctrica en esta región modificada, esa nueva carga sentirá una fuerza.

Para describir el campo eléctrico de forma matemática, usamos el vector campo eléctrico. Este vector se calcula dividiendo la fuerza eléctrica que siente una pequeña carga de prueba (una carga positiva muy pequeña) entre el valor de esa carga de prueba.

La forma más sencilla de entender el campo eléctrico es a través de la ley de Coulomb. Esta ley describe la fuerza entre cargas que no se mueven. Sin embargo, para cargas que sí se mueven, la definición es un poco más compleja y se relaciona con la teoría de la relatividad. Es importante saber que el campo eléctrico que se mide puede ser diferente para observadores que se mueven a distintas velocidades.

Campo eléctrico según la ley de Coulomb

Archivo:Campo Electrico Distribucion Lineal
Campo eléctrico de una distribución lineal de carga. Una carga puntual P es sometida a una fuerza en dirección radial \vec u_r por una distribución de carga \lambda en forma de diferencial de línea (dL), lo que produce un campo eléctrico d\vec E.

La ley de Coulomb nos dice que la fuerza entre dos cargas eléctricas en reposo depende de la distancia que las separa. Cuanto más lejos estén, menor será la fuerza. La fórmula es:

\mathbf {F}_{12} = \frac {1}{4 \pi \ \epsilon_0} \Bigl[\frac {q_1 \ q_2}{(r_{12})^2}\Bigr] \hat {\mathbf {r}}_{12}

Donde:

  • \scriptstyle \epsilon_0 es una constante llamada permitividad eléctrica del vacío.
  • q_1,\ q_2 son los valores de las cargas.
  • Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): r_{12} es la distancia entre las cargas.
  • \hat\mathbf{r} es un vector unitario que indica la dirección de la fuerza.

Al principio, se pensaba que la fuerza entre cargas actuaba "a distancia" de forma instantánea. Pero los experimentos del siglo XIX mostraron que esto no era así. Se descubrió que el campo eléctrico es algo real que se propaga a una velocidad finita (la velocidad de la luz) para afectar a otras partículas. Así, el campo eléctrico es como una "distorsión" en el espacio causada por la presencia de una carga.

Considerando esto, la expresión del campo eléctrico para una carga que no se mueve es:

(7)\mathbf{E} = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{q}{r^2} \hat{\mathbf{r}}

Esta fórmula nos muestra que la fuerza F es igual a la carga q multiplicada por el campo eléctrico E, es decir, \scriptstyle \mathbf{F} = q \mathbf{E}.

Características del campo eléctrico

Para entender mejor el campo eléctrico, los científicos estudian dos de sus propiedades principales: su divergencia y su rotacional. La ley de Gauss describe la divergencia, y la ley de Faraday describe el rotacional.

Ley de Gauss

La ley de Gauss nos ayuda a entender cómo el campo eléctrico se "extiende" desde las cargas. Imagina una superficie cerrada alrededor de una carga. El flujo del campo eléctrico a través de esa superficie nos dice cuánta carga hay dentro. La ley de Gauss se expresa así:

(9)\oint_S \vec E \cdot \text{d}\vec a = \frac{1}{\epsilon_0} Q_{enc}

Donde Q_{enc} es la carga total dentro de la superficie. Esto significa que las líneas del campo eléctrico "nacen" en las cargas positivas y "terminan" en las cargas negativas.

Ley de Faraday

Michael Faraday descubrió en 1821 que los cambios en un campo magnético pueden crear un campo eléctrico. Esto se conoce como la ley de Faraday. Si un campo magnético cambia con el tiempo, induce un campo eléctrico a su alrededor. La forma diferencial de esta ley es:

(14)\vec\nabla \times \vec E = - \frac{\partial \vec B}{\partial \text{t}}

Esta ecuación nos dice que un campo eléctrico puede ser generado por un campo magnético que varía.

Tipos de campo eléctrico

Campo electrostático (cargas en reposo)

Cuando las cargas eléctricas están quietas, el campo eléctrico que crean se llama campo electrostático. Este tipo de campo no cambia con el tiempo. En este caso, la ley de Gauss sigue siendo válida. Sin embargo, la ley de Faraday se simplifica, ya que no hay cambios en el campo magnético, lo que significa que el rotacional del campo eléctrico es cero:

(15)\vec\nabla \times \vec E = 0

Esto es importante porque permite aplicar el principio de superposición: si tienes varias cargas, el campo eléctrico total en un punto es la suma de los campos eléctricos creados por cada carga individualmente.

(17)\vec E = \vec E_1 + \vec E_2 + \vec E_3 + ...

Líneas de campo

Archivo:Líneas de campo
Líneas de campo eléctrico correspondientes a cargas iguales y opuestas, respectivamente.

Para visualizar un campo eléctrico, usamos las "líneas de campo". Son líneas imaginarias que nos muestran la dirección del campo eléctrico en cada punto. Las flechas en estas líneas indican hacia dónde se movería una carga positiva si se colocara en ese lugar.

Las líneas de campo siempre salen de las cargas positivas y entran en las cargas negativas. Nunca se cruzan entre sí. Además, donde las líneas están más juntas, el campo eléctrico es más fuerte, y donde están más separadas, es más débil.

Campo electrodinámico (cargas en movimiento)

Cuando las cargas se mueven, el campo eléctrico se vuelve más complejo. Si una carga se mueve a una velocidad constante, su campo eléctrico se "aplasta" un poco en la dirección de su movimiento, volviéndose más intenso en las direcciones perpendiculares a su velocidad. Esto es un efecto de la teoría de la relatividad.

Si la carga se mueve con aceleración (es decir, su velocidad cambia), el campo eléctrico que produce es aún más complicado. Una parte de este campo se comporta como una radiación electromagnética, lo que significa que la carga está emitiendo energía en forma de ondas. Esto es lo que ocurre en las antenas de radio, por ejemplo.

Energía del campo eléctrico

Los campos eléctricos pueden almacenar energía. La cantidad de energía que un campo eléctrico guarda en un volumen determinado se puede calcular. Esta energía es la que se aprovecha en muchas tecnologías, como en los condensadores, que son componentes electrónicos que almacenan energía en un campo eléctrico.

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Electric field Facts for Kids

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