Campo y potencial eléctrico

Campo eléctrico. Una carga eléctrica (o una distribución de cargas) modifica las propiedades del espacio que la rodea: en cualquier punto de esa región, otra carga experimenta una fuerza eléctrica. Esa región del espacio, en la que cada punto tiene asociada una propiedad capaz de ejercer fuerzas sobre las cargas, es el campo eléctrico.

La idea de campo sustituye a la «acción a distancia»: la carga que crea el campo (carga fuente) no actúa directamente sobre la otra, sino a través del campo, que existe aunque no haya ninguna carga de prueba para notarlo. Es un campo vectorial (en cada punto hay un vector) y conservativo (el trabajo que hace sobre una carga no depende del camino), por lo que también se le puede asociar un potencial.

Intensidad de campo eléctrico. Es la fuerza que el campo ejerce sobre la unidad de carga positiva colocada en ese punto. Si en un punto una carga de prueba $q'$ (positiva) sufre la fuerza $\vec F$:$$\vec E = \frac{\vec F}{q'}$$

• $\vec E$: intensidad de campo eléctrico, en N/C (equivale a V/m).
• $\vec F$: fuerza eléctrica sobre la carga de prueba, en N.
• $q'$: carga de prueba, en C.

Es un vector con la dirección y el sentido de la fuerza que sufriría una carga positiva. Al revés, conocido el campo, la fuerza sobre cualquier carga $q$ es $\vec F = q\vec E$: misma dirección que $\vec E$, mismo sentido si $q > 0$ y sentido contrario si $q < 0$.

Campo de una carga puntual. A partir de la ley de Coulomb, la fuerza que una carga $Q$ ejerce sobre $q'$ a una distancia $r$ es $\vec F = k\,\dfrac{Q q'}{r^2}\,\vec u_r$. Dividiendo entre $q'$:$$\vec E = k\,\frac{Q}{r^2}\,\vec u_r$$con $k = 9\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{C}^2$ en el vacío, $r$ la distancia en m y $\vec u_r$ el vector unitario que va de la carga $Q$ al punto. Su módulo disminuye con el cuadrado de la distancia; es radial y saliente si $Q > 0$ y entrante si $Q < 0$. Si hay varias cargas, el campo total es la suma vectorial de los campos de cada una (principio de superposición).

Líneas de campo. El campo se representa con líneas tangentes en cada punto al vector $\vec E$: salen de las cargas positivas y entran en las negativas, y están más juntas donde el campo es más intenso.