Fundamentos básicos electromagnetismo

Definición de carga eléctrica:

Se denomina carga eléctrica a todo aquel cuerpo o partícula que se encuentra cargado eléctricamente, y se manifiesta mediante fuerzas de atracción y/o repulsión entre ellas por la mediación de campos electromagnéticos. Es una propiedad física, característica e intrínseca de las partículas que conforman a los átomos, los cuales, conforman a toda materia que se encuentra a nuestro alrededor. Toda materia se encuentra compuesta fundamentalmente por protones, electrones y neutrones, partículas subatómicas, sabiendo que los primeros dos poseen carga. Los experimentos demuestran que existen básicamente dos tipos de cargas eléctricas que se denominan como positivas y negativas. Los protones (p+) poseen carga positiva, mientras que los electrones (-e) poseen carga negativa. Toda materia que nos resulta familiar, que se encuentra en el universo, presenta un equilibrio entre cargas positivas y negativas, de manera que se manifiestan en forma totalmente neutra.

Existen tres hechos fundamentales para explicar el comportamiento eléctrico de toda materia, y son la conservación, la cuantización, fuerzas electrostáticas de repulsión/atracción.

Conservación de carga eléctrica: La sumatoria algebraica de las cargas positivas y negativas no varía, permanece constante, de modo que nunca puede suceder que una carga positiva desaparezca si no va acompañada por la desaparición simultánea de una carga negativa de igual valor. Análogamente, la aparición de una carga de un signo determinado ha de ir acompañada de la aparición de otra carga del mismo valor y de signo contrario.

Cuantización: La carga eléctrica, es una propiedad física del tipo discreta. Este fenómeno fue demostrado experimentalmente por Robert Millikan, y establece que dicha propiedad se encuentra en la naturaleza en cantidades que siempre son múltiplos de una magnitud que se denomina como carga elemental y se denota por la letra e.

Carga eléctrica=Ne

N= Número entero        e=Carga elemental

Es la carga elemental anteriormente mencionada, la carga de un electrón y de un protón. Cuya unidad de medida según el Sistema Internacional de Unidades (SI) resulta ser el coulomb (C), teniendo un valor de e=1.6021x10-19C.

Para protones, e=1.6021x10-19C.

Para electrones, e= -1.6021x10-19C

Para los quarks, se les asigna un valor fraccionario de la carga elemental, e= ±1/3 o e= ±2/3

Fuerzas electrostáticas de repulsión/atracción: Las cargas eléctricas, y en consecuencia, los cuerpos cargados, ejercen fuerzas entre sí cuando estos se encuentran en reposo, dichas fuerzas vienen descritas por la Ley de Coulomb, según la cual, establece que dos cargas puntuales y estacionarias q1, q2,  se atraen o se repelen con una fuerza electrostática que es directamente proporcional al producto de la magnitud de dichas cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta fuerza, está dirigida según la recta que une ambas cargas, es atractiva cuando éstas poseen signos diferentes y repulsiva si son del mismo signo.

La magnitud de esta fuerza se calcula de la siguiente manera:

[pic 1]

Donde la constante k (en el vacío) en el SI, posee un valor de:[pic 2]

La expresión anterior, para determinar la magnitud de la fuerza electrostática entre dos cargas, en forma vectorial queda descrita de la siguiente forma:[pic 3]

Donde         es un vector unitario unidimensional que está dirigido de q1 a q2 y puede expresarse como: [pic 4][pic 5]

[pic 6]

 r2 y r1, son los vectores de posición de las cargas q2 y q1 respectivamente y

es la distancia que las separa.

En muchos problemas, se expresa k en función de la permitividad del vacío,[pic 7], es decir:[pic 8]

Donde [pic 9]tiene un valor de 8.8542x10-12[pic 10] 

Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío, disminuye la fuerza entre éstas. Si el material tiene una contante dieléctrica (permitividad relativa ([pic 11])) , la permitividad del vacío se debe reemplazar por [pic 12], donde [pic 13]es la permitividad del material.

La permitividad (llamada también constante dieléctrica) es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. 

Las fuerzas eléctricas, son mucho mayores que las gravitacionales, aproximadamente unas 1040 veces superior. En efecto, la fuerza gravitatoria que se ejerce entre dos masas siempre es atractiva, mientras que la fuerza eléctrica puede ser tanto atractiva como repulsiva. En una distribución arbitraria de cargas eléctricas, es decir, en donde se encuentran presentes más de dos cargas, la fuerza eléctrica total sobre una se determina al sumar vectorialmente las fuerzas que existen entre dicha carga y cada una de las otras cargas, es a esto que se le conoce como principio de superposición.

F = F1+F2+F3+…+Fn

Donde

F=Fuerza total sobre la carga q

F1= Fuerza entre q y q1

F2= Fuerza entre q y q2

F3= Fuerza entre q y q3

Campo eléctrico:

Tanto el campo eléctrico como la fuerza gravitacional son ejemplos de fuerzas de acción a distancia, las cuales, resultan extremadamente difíciles de visualizar. Para superar esta dificultad, los físicos de la antigüedad postularon la existencia de un material invisible, al que llamaron éter, que supuestamente llenaba todo el  espacio. La fuerza de atracción universal podía deberse entonces a esfuerzos en el éter causados por la presencia de diversas masas. Ciertos experimentos de óptica han demostrado que la teoría del éter es insostenible. Se puede afirmar que la sola presencia de una masa altera el espacio que la rodea, y de ese modo produce una fuerza gravitacional sobre otra masa cercana. Esta alteración en el espacio se describe mediante la introducción del concepto de un campo gravitacional que rodea a todas las masas. Se puede decir que este tipo de campo existe en cualquier región del espacio donde una masa de prueba experimentará una fuerza gravitacional. La intensidad del campo en cualquier punto sería proporcional a la fuerza que experimenta una masa dada en ese punto. Por ejemplo, en cada punto de la Tierra, el campo gravitacional podría representarse cuantitativamente con [pic 14]

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