01. Conceptos y principios
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Carga eléctrica, campo eléctrico y analogía de Goofy
Todos sabemos que los electrones y protones tienen carga eléctrica. Pero, ¿qué es la carga eléctrica y qué significa que una partícula, como un neutrón, no tenga carga eléctrica [1]? En un nivel, la respuesta es que la carga eléctrica es la ablilidad para crear e interactuar con un campo eléctrico. Por supuesto, esto plantea la pregunta, ¿qué es un campo eléctrico? Para tratar de responder a esta pregunta, veamos la masa y el campo gravitacional.
En la teoría gravitacional de Newton, cada objeto que tiene masa crea un campo gravitacional. El objeto con masa se denomina la fuente del campo gravitacional. El campo gravitacional de la fuente, que llena todo el espacio, codifica información sobre la ubicación y masa de la fuente en el espacio mismo. Es casi como si un número infinito de pequeñas tarjetas de visita se hubieran impreso y distribuido a través del espacio con información detallada sobre las características de la fuente. El campo gravitacional puede considerarse como una gran cantidad de tarjetas de visita incrustadas en el tejido del espacio. (No, no estoy bromeando, se ve así.)
Normalmente, cuando dibujamos el campo gravitacional traducimos el mensaje de las tarjetas de visita en un mensaje matemáticamente equivalente. Aquí hay una imagen del campo gravitacional cerca de la superficie de la tierra.
La relación que le permite “traducir las tarjetas de visita” es la expresión de Newton para el campo gravitacional que rodea una masa,
\[ g =\dfrac{Gm}{r^{2}}\]
donde
- G es la constante gravitacional, igual a 6.67 x 10 -11 N m 2 /kg 2.
- m es la masa fuente, la masa que crea el campo gravitacional.
- r es la distancia entre la masa de origen y la ubicación de la tarjeta de presentación.
- (r hat) es el vector unitario que apunta desde la masa de origen hasta la tarjeta de presentación. Observe que la dirección del campo gravitacional, g, es opuesta a esta dirección.
Cada masa del universo tiene un campo gravitacional descrito por esta fórmula que la rodea. Además, cada masa del universo tiene la capacidad de “leer las tarjetas de presentación” de todas las demás masas. Esta transferencia de información de una masa a otra es la fuerza gravitacional que atrae a las masas juntas. (Una vez que una misa lee la tarjeta de visita de otra masa, la primera misa siente un extraño impulso de ir a visitar la segunda misa. Cuanto más tentadora sea la tarjeta de presentación (cuanto mayor sea el valor de g), más fuerte será el impulso).
Dejemos caer la analogía de la tarjeta de presentación y volvamos a las cargas eléctricas y los campos eléctricos. Básicamente, cada objeto que tiene carga eléctrica se rodea de un campo eléctrico dado por una fórmula increíblemente similar a la del campo gravitacional. ¿Qué tan increíblemente similar? A continuación se muestra la fórmula para el campo eléctrico en un punto particular en el espacio, a partir de una sola fuente de carga:
\[ E = \dfrac{kq}{r^{2}}\]
donde
- k es la constante electrostática, igual a 9.00 x 10 9 N m 2 /C 2.
- q es la carga fuente, la carga eléctrica que crea el campo eléctrico. Su valor puede ser positivo o negativo, y se mide en culombios (C).
- r es la distancia entre la carga fuente y el punto de interés.
- (r hat) es el vector unitario que apunta desde la carga de origen hasta el punto de interés.
Cada objeto de carga está rodeado por un campo dado por esta relación. Todo otro objeto cargado en el universo puede “leer” este campo y responderá a su información sintiendo una fuerza eléctrica. Objeto sin carga eléctrica ni crea ni interactúa con campos eléctricos (no pueden leer las tarjetas de visita).
En este capítulo aprenderás a calcular el campo eléctrico producido por los objetos de carga. En el siguiente capítulo, aprenderás cómo el campo eléctrico puede ser “detectado” por otras cargas eléctricas que resultan en la fuerza eléctrica.
[1] En realidad, los neutrones se construyen a partir de partículas más pequeñas llamadas quarks que sí tienen carga eléctrica. Los neutrones son neutrales porque la suma de las cargas de quark dentro de ellos es cero. La distinción entre un objeto que tiene una carga neta de cero y un objeto que no tiene carga alguna es importante a la hora de considerar la polarización.