El principio de conservación de la carga dice que cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro descargado, la carga se reparte hasta que ambos tengan la misma carga y se repelan. Los materiales conductores son aquellos como los metales que pierden fácilmente electrones y tienen cierta libertad de movimiento en algunos estados. Los aislantes son aquellos en los que los electrones se encuentran en enlaces covalentes rígidamente en una red cristalina. Los semiconductores son aquellos que sus electrones no gozan de libertad pero pueden adquirirla, por ejemplo, cuando se calientan.

Ley de Coulomb

Dos cuerpos cargados se atraen o se repelen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Esta relación se expresa en la fórmula de la fuerza electrostática:

F = k * (q1 * q2) / r²

Donde:

• F es la fuerza electrostática
• k es una constante que depende del medio (en el vacío, k = 9 x 10⁹ N·m²/C²)
• q1 y q2 son las magnitudes de las cargas
• r es la distancia entre las cargas

La fuerza electrostática es una fuerza central, dirigida a lo largo de la línea que une ambos cuerpos. Su sentido depende del signo relativo de ambas cargas: si las cargas tienen el mismo signo, la fuerza es de repulsión; si tienen signos opuestos, la fuerza es de atracción.

Si en una determinada región del espacio existen varios cuerpos cargados, e introducimos otro cuerpo, este se verá sometido a una fuerza que será la suma vectorial de las fuerzas individuales que ejercen sobre él cada uno de los cuerpos cargados presentes. Este principio se conoce como principio de superposición.

El Campo Electrostático

El campo electrostático es aquella región del espacio en la que se aprecia el efecto de un cuerpo cargado en reposo. Para que se ponga de manifiesto el campo, debemos introducir en él otro cuerpo cargado, que sufrirá una fuerza electrostática de repulsión o de atracción.

La intensidad de campo eléctrico (E) en un punto es la fuerza que el cuerpo de carga ejerce por unidad de carga positiva colocada en dicho punto. Es una magnitud vectorial, con la misma dirección y sentido que la fuerza que actuaría sobre una carga positiva colocada en ese punto.

La intensidad de campo electrostático en un punto debido a la presencia de varios cuerpos cargados es la suma vectorial de los campos que crearían cada uno de esos cuerpos si solo estuviese él en esa región del espacio. Este principio se conoce como principio de superposición.

Un dipolo eléctrico es un sistema formado por dos cargas iguales pero de signo contrario, separadas por una distancia pequeña.

Campo Creado por una Distribución Continua de Carga

El flujo eléctrico (Φ) es una medida del número de líneas de campo que atraviesan una superficie. Se representa de tal manera que el número de líneas de campo por unidad de superficie perpendicular a las mismas indica la intensidad del campo.

El teorema de Gauss para el campo electrostático dice que el flujo neto que atraviesa una superficie cerrada situada en el interior de un campo eléctrico es proporcional a la carga neta encerrada por dicha superficie.

Energía Asociada al Campo Eléctrico

El campo electrostático es un campo conservativo. En consecuencia, el trabajo de las fuerzas del campo electrostático a lo largo de una trayectoria cerrada es cero.

La energía potencial electrostática (Ep) es la energía que tiene una determinada carga por encontrarse bajo la influencia electrostática de otras cargas. El signo de la Ep depende del signo de las cargas: si las dos cargas tienen el mismo signo, la Ep es positiva; si tienen signos opuestos, tendrá signo negativo.

Si tenemos un sistema formado por n partículas cargadas, su energía potencial electrostática total será la suma de la energía potencial de todas las parejas que podamos formar.

El teorema de conservación de la energía mecánica nos dice que cuando un sistema se ve sometido únicamente a la acción de fuerzas conservativas, su energía mecánica se conserva.

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico (V) en un punto es la energía potencial electrostática por unidad de carga positiva en ese punto. Si la carga que crea el campo es positiva, el potencial eléctrico es positivo; si la carga es negativa, el potencial eléctrico es negativo. El potencial eléctrico es un campo escalar.

El potencial eléctrico en un punto se puede interpretar como el trabajo necesario para traer la unidad positiva de carga desde el infinito hasta ese punto, sin aceleración. El potencial eléctrico en el infinito se toma como cero.

En un campo electrostático, las cargas positivas se desplazan de forma espontánea en el sentido de los potenciales decrecientes, mientras que las cargas negativas lo hacen en el sentido de los potenciales crecientes.

Representación del Campo Electrostático

Las líneas de campo y las superficies equipotenciales son herramientas útiles para visualizar el campo electrostático.

• Líneas de campo: Son líneas tangentes al vector intensidad de campo en cada punto. En un campo creado por una única carga puntual, las líneas de campo tienen dirección radial y un sentido que depende del signo de la carga. Las cargas positivas se llaman manantiales de líneas de campo y las negativas, sumideros. En un campo creado por dos o más cargas, las líneas de campo se deforman en la zona intermedia donde es significativo el efecto de ambas cargas.
• Superficies equipotenciales: Son superficies en las que el potencial eléctrico tiene el mismo valor en todos sus puntos. Las líneas de campo y las superficies equipotenciales no se pueden cruzar, ya que un punto no puede tener dos valores distintos de potencial eléctrico.