El campo eléctrico es la influencia que una carga crea a su alrededor y que puede ejercer fuerzas sobre otras cargas.
Ya sabemos que existen electrones libres y que tienen carga negativa. También sabemos que cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen.
Pero, en ingeniería, no nos vale con decir “se atraen mucho” o “se atraen poco”. Necesitamos cuantificar esa fuerza. Y, sobre todo, necesitamos responder a una pregunta inquietante:
Si dos cargas no se están tocando… ¿cómo sabe una que la otra está ahí? ¿Cómo se transmite esa fuerza a través del vacío?
Bienvenidos al mundo de los Campos.
La ley de Coulomb
A finales del siglo XVIII, Charles-Augustin de Coulomb midió con precisión la fuerza entre cargas eléctricas y enunció la ley que lleva su nombre.
Es la base de toda la electrostática y se parece sospechosamente a la Ley de la Gravedad de Newton. La Ley de Coulomb dice así:
Vamos a destripar esta fórmula, porque nos dice mucho más de lo que parece:
(fuerza): Es la magnitud de la fuerza de atracción o repulsión (en newtons). Su dirección está en la línea que une las cargas. y (cargas): La cantidad de carga de cada cuerpo (en culombios). Cuanto mayores sean las cargas, mayor será la fuerza. (distancia al cuadrado): La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Si separas las cargas al doble, la fuerza pasa a ser la cuarta parte. (constante de Coulomb): Depende del medio. En el vacío es . A escala de partículas, la interacción eléctrica es muchísimo más intensa que la gravitatoria.
La ley de Coulomb y la gravitación de Newton comparten una dependencia con
El concepto de campo
Hablar solo de fuerzas entre dos cuerpos sugiere una incómoda “acción a distancia”. Faraday y Maxwell desarrollaron el concepto de campo para describir la influencia física presente en cada punto del espacio.
Imaginad una cama elástica.
- Si ponéis una bola de bolos en el centro, la tela se deforma.
- Si luego tiráis una canica, la canica se mueve hacia la bola no porque la bola “tire” de ella, sino porque sigue la curvatura de la tela.
En electricidad, esa tela, esa magnitud vectorial es el campo eléctrico.
- Una carga eléctrica crea un campo a su alrededor.
- Cualquier otra carga que entre en ese espacio, sentirá una fuerza.
El campo eléctrico (E)
Definimos el campo eléctrico (representado por la letra
O, usando la ley de Coulomb:
Fijaos en la diferencia:
- La Fuerza (F) necesita dos cargas (la que empuja y la empujada).
- El Campo (E) solo necesita una carga fuente. El campo existe aunque no haya nadie ahí para sentirlo. Es una propiedad del espacio.
Las líneas de campo
Como el campo es invisible, usamos Líneas de Campo para visualizarlo. Son flechas imaginarias que nos dicen hacia dónde saldría disparada una carga positiva.
- Salen de las cargas Positivas (fuentes).
- Entran en las cargas Negativas (sumideros).
- Nunca se cruzan.
- Donde las líneas están más juntas, el campo es más intenso.
Relación entre campo y potencial
Aquí aparece la idea que nos va a conectar con el siguiente artículo.
La unidad del campo eléctrico es el newton por culombio (N/C): indica la fuerza que actuaría por cada unidad de carga.
Pero esa unidad es equivalente a otra que usarás mucho más: voltios por metro (V/m).
La equivalencia de unidades refleja una relación más profunda: el campo eléctrico apunta hacia donde el potencial disminuye con mayor rapidez. En una dimensión, se expresa como
Imagina el espacio entre dos placas cargadas, como en un condensador:
- Entre dos placas paralelas, podemos aproximar
. Por eso, una gran diferencia de potencial y poca distancia producen un campo muy intenso. - Si ese campo es demasiado fuerte para el material que hay en medio (aire, plástico), arrancará los electrones a la fuerza y saltará una chispa.
Esta es la razón por la que no puedes acercar demasiado los cables de alta tensión. Aunque no se toquen, el Campo Eléctrico (V/m) en el aire intermedio puede ser tan alto que el aire se vuelve conductor (arco eléctrico).
