El campo eléctrico
Cambia la distancia y el signo, y lee el campo
La bola del centro es la carga fuente, y las flechas que la rodean son el campo eléctrico que crea. Al acercar o alejar la carga de prueba con el deslizador cambia la longitud de la flecha dorada de fuerza, y al pulsar un botón de signo todas las flechas invierten su dirección a la vez.
El campo eléctrico: el mapa de fuerza de una carga
Cuando hay una sola carga, cada punto a su alrededor recibe una flecha que dice cuánta fuerza sentiría una carga positiva unitaria colocada allí. El conjunto de esas flechas es el campo eléctrico E. Haya o no una carga de prueba de verdad, el campo ya está extendido alrededor de la carga. Se supone que la carga de prueba es tan pequeña que no perturba a la fuente. Por eso el campo eléctrico se define como la fuerza dividida entre la carga de prueba, E = F/q.
El campo de una carga puntual: radial, 1/r²
El campo eléctrico de una carga puntual Q se extiende igual en todas direcciones, y su magnitud es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En fórmula, E = kQ/r², en la dirección del vector unitario radial r̂. Apunta hacia fuera para una carga positiva y hacia dentro para una negativa. Esta inversa del cuadrado se debe a que el campo que sale de la carga se reparte por igual sobre una esfera cuya área crece con el cuadrado de la distancia. La constante k vale 1/(4πε₀).
La fuerza viene del campo: F = qE
Una carga q colocada en un campo eléctrico siente la fuerza F = qE, la flecha del campo multiplicada por la cantidad de carga. Lo importante es que el campo eléctrico E no depende de la carga de prueba q. Al duplicar q, el E de ese punto no cambia y solo se duplica la fuerza. Una carga negativa siente una fuerza opuesta al campo. El campo eléctrico es una propiedad de la carga fuente que lo creó.
Dirección y suma
Las flechas del campo eléctrico salen de las cargas positivas y entran en las negativas. Con varias cargas, se suman como vectores las flechas que crea cada una para obtener el campo en un punto; eso es la superposición. Cuando la carga está repartida en una línea, una superficie o un volumen, esta suma se vuelve una integral, y esa integral es el tema de la próxima unidad.
De vuelta a la primera pantalla
Al acercar la carga de prueba con el deslizador, la flecha de fuerza se alargó con rapidez. Como el campo va como 1/r², al reducir la distancia a la mitad el campo se cuadruplica, y la intensidad relativa del indicador se movió en la misma proporción. Al pulsar el botón de signo, todas las flechas se invirtieron a la vez: la dirección sigue el signo de la carga fuente. Y pusieras donde pusieras la carga de prueba, las flechas del campo de fondo no cambiaban, porque el campo eléctrico no pertenece a la carga que se coloca allí sino a la carga que lo crea.
El campo eléctrico es el protagonista de la electrostática, y desde aquí se abre en dos caminos. Cuando la carga está repartida en una línea, una superficie o un volumen, se integra el dE de cada trozo pequeño para obtener el campo total (EM-04). Y al contar cuánto de este campo atraviesa una superficie cerrada se llega al flujo y la divergencia (EM-05) y a la ley de Gauss (EM-06).