Campo eléctrico

Cuando vemos un objeto pensamos en él como "un todo" simplemente masa, y todos sabemos que esta masa está compuesta por átomos. Si penetramos un poco más adentro de la estructura tenemos que los átomos están constituidos por dos partes básicas, los electrones y el núcleo y aquí hay que tener en cuenta que estos elementos mas internos tienen otra característica, la carga eléctrica. Las cargas eléctricas de ambas partes generan fuerzas que mantienen la integridad del átomo.

Una particularidad de las cargas eléctricas es que pueden ser de dos signos, y, que su signo determina la dirección de las fuerzas de interacción entre ellas. El átomo es eléctricamente neutro, los electrones tienen una carga que se ha convenido en asumir negativa, mientras el núcleo tiene una carga resultante de igual magnitud pero de signo contrario o positiva.

La evidencia que condujo al descubrimiento de las cargas eléctricas y de las fuerzas eléctricas depende más de las propiedades de la masa en su conjunto y solo indirectamente al hecho de que la materia está constituida por átomos. La propiedad más importante de los cuerpos para el caso que nos ocupa es su conductividad eléctrica, esto es, la facilidad con la que los electrones se pueden desplazar dentro del material. En términos generales y sin entrar en exactitudes las propiedades eléctricas de los diferentes materiales los separan en dos grupos: aquellos en los que las cargas negativas (electrones) se trasladan con facilidad y que se denominan conductores y los que el movimiento de los electrones es difícil, losaisladores.

Cuando frotamos un material aislador con otro del mismo tipo, por ejemplo, una varilla de teflón con un trozo de piel con sus pelos, la barra de teflón adquiere una carga eléctrica mientras que la piel adquiere una carga igual pero de sentido contrario. Esto hace suponer que se han transferido electrones de un cuerpo al otro y por lo tanto se ha perdido la neutralidad. En realidad, en el experimento, el teflón ha quedado con un exceso de electrones, está cargado negativamente y la piel con una deficiencia por lo que su carga será positiva, pero recuerde que esto es convencional por lo que es irrelevante para los resultados.

Ahora asumimos que tenemos una pequeña bola de corcho a la que transferimos la carga del teflón y otra, que hacemos lo mismo con las cargas del trozo de piel. Ambas bolas las colgamos de sendos hilos y las acercamos, el resultado será una fuerza de atracción entre ellas aun sin tocarse. Pero si transferimos a las dos bolas las cargas desde uno de los cuerpos, es decir del teflón o de la piel, al acercarlas se produce el efecto contrario se repelen, es decir en ambos casos hay una fuerza interactuando entre los cuerpos. Este comportamiento da la primera conclusión sobre los cuerpos cargados de electricidad:

Los cuerpos cargados con signo contrario se atraen, mientras que con el mismo signo se repelen.

El concepto de la acción a distancia, donde una fuerza podía actuar a través de un espacio abierto, incluso en el vacío, fue siempre difícil de aceptar. La acción a distancia sugería que de alguna manera debía llegar la fuerza creada por uno de los cuerpos al otro. Michael Faraday sugirió una vía para resolver esta dificultad, el primer cuerpo influye en el espacio que lo rodeaba por un campo que estaba presente, aunque el otro cuerpo existiera o no, dando origen al concepto de campo eléctrico. En la figura 1 se muestra una visualización del campo eléctrico usando hilos muy finos que flotan en aceite alrededor de una pequeña esfera cargada.

Observe que los hilos se orientan radialmente a la esferita cargada representada en negro en el centro, lo que indica que el campo eléctrico es radial y uniforme en todas direcciones (en la figura se ve en un plano pero en realidad es tridimensional). La orientación de los hilos sugirió un concepto muy útil, las lineas de fuerza. Es decir, se supuso que del centro del cuerpo cargado partían en todas direcciones unas lineas que representaban una fuerza y por lo tanto con una dirección definida. Se asumió dirigidas hacia afuera las lineas de fuerza que salen de un cuerpo cargado positivo y hacia adentro las de uno cargado negativo.