El campo electrostático

En la física moderna, la noción de fuerza ha sido progresivamente desplazada por la de campo. Aplicado a la electrostática, este concepto permite sustituir la idea de las fuerzas puntuales que nacen y mueren en las cargas eléctricas por el principio de que la sola presencia de una carga induce una perturbación en el espacio que puede afectar a cualquier otra carga presente en sus proximidades. El manejo de campos permite describir los fenómenos según las propiedades observadas, sin referirse a las causas originales que los producen.

El vector campo eléctrico

La presencia de una o varias cargas eléctricas en el espacio induce en su entorno un campo eléctrico (de símbolo E), que influye en el comportamiento de otras cargas circundantes. El valor cuantificado de esta interacción se determina por la intensidad de campo eléctrico, que se define como la fuerza que actúa en un punto dado del campo por unidad de carga positiva.

El campo eléctrico es una magnitud vectorial cuyas características son:

  • La dirección del campo es la de la recta que une la posición de la carga que lo engendra con la del punto donde se mide el campo.
  • El sentido del campo es, por convenio, repulsivo cuando la carga origen es positiva y atractivo si dicha carga es negativa (coincide con el de la fuerza electrostática).
  • El módulo del campo depende del valor de la carga que lo crea, su signo, el medio y la distancia de dicha carga a aquella en la que se mide la perturbación.

Módulo, sentido y dirección del campo eléctrico. La carga (a) es positiva y la (b), negativa.

Valor del módulo del campo eléctrico

Por la propia definición de campo eléctrico, el módulo de su intensidad es directamente proporcional a la carga que crea el campo e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia donde se miden sus efectos:

donde K es la misma constante que aparece en la ley de Coulomb de la electrostática, cuyo valor es 9 · 109 N·m2/C2, aproximadamente (ver t30).

Las líneas de campo

Para comprender mejor el concepto de campo eléctrico se recurre a representaciones visuales basadas en líneas de campo o de fuerza, para indicar la dirección, el sentido y la intensidad del campo.

En esencia, las líneas de campo señalan cómo se comportaría una carga eléctrica positiva cuyo valor es la unidad, cuando se introdujera en el dominio de acción del campo eléctrico representado.

Según este enfoque, el campo eléctrico es abierto, ya que sus líneas de fuerza nunca entran y salen en una misma carga.

Líneas de fuerza de un campo eléctrico. Mientras que las líneas creadas por una carga positiva salen de la carga (a), las engendradas por una carga negativa se sumergen en ella (b).

Líneas de fuerza de un sistema de cargas. Las líneas de campo salen de la carga positiva y entran en la negativa.

El dipolo eléctrico

El estudio del campo eléctrico es particularmente interesante en un sistema conocido por dipolo eléctrico, que está constituido por dos cargas de igual valor, una positiva y otra negativa, situadas a una cierta distancia, en general pequeña.

La característica principal del dipolo eléctrico es el momento dipolar, que se define como el producto del valor de la carga por la distancia que existe entre ambas cargas. Esta magnitud es vectorial, y matemáticamente se escribe como:

Al introducir un dipolo eléctrico en un campo electrostático, el dipolo tiende a reorientarse con su carga positiva apuntando en el sentido de las líneas del campo. La acción del campo crea así un momento de giro M definido por la expresión:

siendo p el momento dipolar, E la intensidad del campo eléctrico y a el ángulo que forman el eje del dipolo y el campo.

A escala atómica, algunas moléculas tienen un momento dipolar permanente (como el agua), que influye de forma decisiva en algunas de sus propiedades químicas. Tales moléculas se denominan polares.

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