Carga eléctrica y campo eléctrico

La idea

Qué vas a aprender

• Qué es la carga eléctricaconcepto

  Toda la materia está hecha de átomos, y los átomos tienen partículas con carga: los protones (carga positiva) en el núcleo y los electrones (carga negativa) alrededor. Normalmente un objeto tiene la misma cantidad de protones que de electrones, y por eso es neutro (carga total cero). Cuando un objeto gana o pierde electrones queda con carga neta: si pierde electrones queda positivo, si gana electrones queda negativo. Esto pasa todo el tiempo en la vida cotidiana: cuando te sacás un buzo de polar y el pelo se te para, o cuando tocás un picaporte de metal después de caminar con zapatillas por una alfombra y sentís una chispita, estás viendo transferencia de electrones entre materiales por fricción o contacto.

  La carga eléctrica se mide en culombios (C) y se representa con la letra $q$. Una regla central: cargas de igual signo se repelen, cargas de signo opuesto se atraen.

• La ley de Coulombconcepto

  Charles Coulomb midió experimentalmente de qué depende la fuerza entre dos cargas puntuales y llegó a una relación matemática simple: la fuerza es más grande cuanto mayores son las cargas, y más chica cuanto más lejos están. En símbolos:

  $$F = k \cdot \frac{|q_1 \cdot q_2|}{d^2}$$

  donde $F$ es la fuerza (en newtons), $q_1$ y $q_2$ son las dos cargas, $d$ es la distancia entre ellas, y $k$ es una constante ($k \approx 9 \times 10^9 \ \text{N·m}^2/\text{C}^2$ en el vacío o el aire). Fijate el parecido con la ley de gravitación de Newton: en ambas la fuerza cae con el cuadrado de la distancia. La diferencia central es que la gravedad siempre atrae, mientras que la fuerza eléctrica puede atraer o repeler según el signo de las cargas.

  Si duplicás la distancia entre dos cargas, la fuerza no se reduce a la mitad: se reduce a un cuarto, porque la distancia está elevada al cuadrado. Esa sensibilidad a la distancia es clave para entender por qué los efectos eléctricos suelen notarse solo de cerca.

• El campo eléctrico: la interacción a distancia, explicadaconcepto

  La ley de Coulomb dice cuánta fuerza hay entre dos cargas, pero no explica cómo una carga "sabe" que la otra está ahí sin tocarla. Para eso se usa la noción de campo eléctrico: se piensa que toda carga modifica el espacio que la rodea, generando una región donde cualquier otra carga que aparezca va a sentir una fuerza. El campo eléctrico ($\vec{E}$) en un punto se define como la fuerza que sentiría una carga de prueba positiva colocada en ese punto, dividida por el valor de esa carga:

  $$E = \frac{F}{q}$$

  Es un cambio de perspectiva importante: en vez de pensar "la carga A empuja a la carga B a distancia", se piensa "la carga A crea un campo a su alrededor, y la carga B interactúa con ese campo en el lugar donde está". El campo eléctrico existe en el espacio aunque no haya ninguna otra carga ahí para sentirlo; se suele representar con líneas de campo que salen de las cargas positivas y entran en las negativas, mostrando la dirección en la que se movería una carga positiva puesta en ese punto.

• El potencial eléctricoconcepto

  Junto al campo aparece el potencial eléctrico, una magnitud (medida en volts) que indica cuánta energía potencial eléctrica tiene, por unidad de carga, un punto del espacio cercano a una carga. Así como el campo eléctrico describe la fuerza que sentiría una carga en cada punto, el potencial describe la energía disponible en cada punto. Esta noción es la base de conceptos que se usan en electricidad aplicada, como la diferencia de potencial (la "tensión" o "voltaje" de una pila o un tomacorriente), que es lo que empuja a las cargas a moverse y genera corriente eléctrica.

Ejemplos resueltos

• donde $F$ es la fuerza (en newtons), $q_1$ y $q_2$ son las dos cargas, $d$ es la distancia entre ellas, y $k$ es una constante ($k \approx 9 \times 10^9 \ \text{N·m}^2/\text{C}^2$ en el vacío o el aire). Fijate el parecido con la ley de gravitación de Newton: en ambas la fuerza cae con el cuadrado de la distancia. La diferencia central es que la gravedad siempre atrae, mientras que la fuerza eléctrica puede atraer o repeler según el signo de las cargas.

Errores comunes

• "Los objetos con carga tienen que tocarse para ejercer fuerza".

  No: la fuerza eléctrica actúa a distancia, sin contacto, tal como describe la ley de Coulomb.

  Cómo corregirlo: No: la fuerza eléctrica actúa a distancia, sin contacto, tal como describe la ley de Coulomb.

• "Si duplico la distancia, la fuerza se reduce a la mitad".

  No: como la distancia está al cuadrado en la fórmula, al duplicarla la fuerza queda en un cuarto de su valor original.

  Cómo corregirlo: No: como la distancia está al cuadrado en la fórmula, al duplicarla la fuerza queda en un cuarto de su valor original.

• "El campo eléctrico solo existe si hay una carga que lo sienta ahí".

  El campo existe en el espacio generado por la carga que lo crea, independientemente de si hay otra carga presente para "sentirlo".

  Cómo corregirlo: El campo existe en el espacio generado por la carga que lo crea, independientemente de si hay otra carga presente para "sentirlo".

• "Carga y corriente eléctrica son lo mismo".

  La carga es una propiedad de la materia; la corriente es el movimiento ordenado de cargas, impulsado por una diferencia de potencial. Este tema trata la carga en reposo, no la corriente.

  Cómo corregirlo: La carga es una propiedad de la materia; la corriente es el movimiento ordenado de cargas, impulsado por una diferencia de potencial. Este tema trata la carga en reposo, no la corriente.

• "Un objeto se carga creando electrones nuevos".

  Un objeto se carga por transferencia de electrones entre materiales (fricción, contacto), nunca creando o destruyendo carga: la carga total se conserva.

  Cómo corregirlo: Un objeto se carga por transferencia de electrones entre materiales (fricción, contacto), nunca creando o destruyendo carga: la carga total se conserva.

• "La fuerza eléctrica y la gravitatoria son la misma cosa".

  Se parecen en la forma matemática (ambas caen con el cuadrado de la distancia), pero la gravedad siempre atrae y depende de la masa, mientras que la fuerza eléctrica puede atraer o repeler y depende de la carga.

  Cómo corregirlo: Se parecen en la forma matemática (ambas caen con el cuadrado de la distancia), pero la gravedad siempre atrae y depende de la masa, mientras que la fuerza eléctrica puede atraer o repeler y depende de la carga.

En resumen