⚡ TEMA 1 – El Campo Electrostático
Conceptos Fundamentales
La electrostática estudia los fenómenos producidos por cargas eléctricas en reposo. A diferencia de la electrodinámica, donde las cargas están en movimiento y generan corrientes, en la electrostática no hay desplazamiento neto de carga, lo que permite un estudio más simple y profundo del comportamiento de los campos eléctricos estáticos.
La electricidad, tal como la entendemos hoy, tiene su origen en las observaciones de fenómenos naturales como la atracción entre cuerpos frotados (ámbar y lana, en la antigua Grecia). La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia, al igual que la masa. Existen dos tipos de carga: positiva y negativa. Los cuerpos cargados del mismo signo se repelen y los de signo contrario se atraen.
Esta interacción se cuantifica mediante la Ley de Coulomb, que permite entender cómo dos cargas puntuales interactúan a través del espacio vacío. Es el punto de partida para definir el concepto de campo eléctrico y su energía asociada.
La Carga Eléctrica
Toda materia está formada por átomos, que contienen protones (carga positiva) y electrones (carga negativa). Los protones se hallan en el núcleo, mientras que los electrones orbitan a su alrededor. Cuando un cuerpo gana electrones, queda cargado negativamente; cuando los pierde, adquiere carga positiva.
La carga eléctrica se mide en culombios (C). La unidad fundamental se define a partir de la carga del electrón:
e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C
Por tanto, toda carga observable es un múltiplo entero de esa cantidad: la carga está cuantizada.
Otra propiedad esencial es la conservación de la carga: en un sistema aislado, la carga total permanece constante, aunque se produzcan transformaciones internas (transferencia de electrones, ionización, etc.).
Interacciones Eléctricas
El comportamiento de las cargas se describe mediante la Ley de Coulomb, que establece que la fuerza entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Esta fuerza es de acción a distancia y su dirección se sitúa a lo largo de la línea que une ambas cargas. La magnitud de la fuerza disminuye rápidamente al aumentar la distancia, lo que indica que el campo eléctrico generado por una carga se extiende indefinidamente, pero con intensidad decreciente.
El carácter vectorial de la fuerza permite aplicar el principio de superposición, según el cual el efecto conjunto de varias cargas es la suma vectorial de las fuerzas individuales. Este principio es esencial para el estudio de configuraciones de carga complejas.
Campo Eléctrico: Un Nuevo Concepto
Michael Faraday introdujo el concepto de campo eléctrico para eliminar la idea de “acción a distancia” instantánea. Según su visión, una carga eléctrica modifica el espacio que la rodea, creando un campo que interactúa con otras cargas.
El campo eléctrico E es una magnitud vectorial que indica, en cada punto del espacio, la fuerza que una carga de prueba positiva experimentaría por unidad de carga. Es decir, el campo es una “región de influencia” que rodea a toda carga eléctrica.
El campo no es una entidad visible, pero puede representarse mediante líneas de fuerza:
- Salen de las cargas positivas y entran en las negativas.
- Son más densas donde el campo es más intenso.
- Nunca se cruzan, ya que en un punto solo puede existir un vector campo.
En regiones donde las líneas son paralelas y equidistantes, el campo es uniforme. Este es el caso entre dos placas metálicas con carga opuesta y separación constante.
Energía Potencial Eléctrica
El campo eléctrico realiza trabajo cuando una carga se mueve dentro de él. Este trabajo se asocia a una energía potencial eléctrica, que representa la energía que posee la carga por su posición dentro del campo.
Cuando una carga positiva se desplaza en el sentido del campo, su energía potencial disminuye, y el campo realiza trabajo sobre ella. Por el contrario, mover una carga en contra del campo requiere aplicar una fuerza externa, aumentando su energía potencial.
Esta energía es una forma de energía almacenada en el sistema de cargas, y constituye la base de los dispositivos de almacenamiento eléctrico como los condensadores.
Potencial Eléctrico
El potencial eléctrico V es una magnitud escalar que simplifica la descripción del campo. Se define como la energía potencial (U) por unidad de carga (q):
V = U / q
El potencial tiene una interpretación física muy útil: representa la capacidad del campo para realizar trabajo sobre una carga.
La diferencia de potencial entre dos puntos (también llamada tensión) es una medida de la energía que se intercambia al mover una carga de un punto a otro.
Por convenio, el potencial en el infinito se toma como cero. Las superficies donde el potencial es constante se denominan equipotenciales. Son siempre perpendiculares a las líneas del campo eléctrico.
Conductores y Aislamiento
Los conductores son materiales que permiten el movimiento libre de electrones (por ejemplo, metales). En un conductor en equilibrio electrostático:
- El campo eléctrico interior es nulo.
- Toda la carga reside en la superficie.
- El potencial es constante en todo el material.
Los aislantes o dieléctricos, por el contrario, no tienen electrones libres; sus cargas se mantienen ligadas, aunque pueden desplazarse ligeramente generando polarización.
La comprensión de estas propiedades es crucial para el diseño de cables, condensadores, blindajes y sistemas eléctricos.
Aplicaciones y Ejemplos
El campo eléctrico explica fenómenos naturales como los relámpagos, donde la diferencia de potencial entre nubes y tierra provoca una descarga súbita. También es el principio de funcionamiento de los precipitadores electrostáticos, que purifican gases cargando partículas y atrayéndolas mediante campos eléctricos controlados.
En laboratorios y tecnologías modernas, los campos eléctricos son esenciales en aceleradores de partículas, tubos de rayos catódicos y microchips.
⚡ TEMA 2 – Ley de Gauss y Potencial
El Flujo Eléctrico
El flujo eléctrico mide la cantidad de campo eléctrico que atraviesa una superficie. Es una herramienta conceptual que permite “contar” cuántas líneas de campo penetran o salen de una región cerrada.
Si las líneas de campo entran y salen por igual, el flujo neto es cero; si hay una carga neta dentro, el flujo es diferente de cero.
Este principio lleva a una de las leyes fundamentales del electromagnetismo: la Ley de Gauss.
Ley de Gauss: Fundamento Físico
La Ley de Gauss establece que el flujo total del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga neta encerrada dentro de esa superficie.
Las líneas de campo que atraviesan una superficie son consecuencia directa de las cargas dentro de ella.
Este concepto tiene implicaciones profundas. Muestra que el campo eléctrico tiene fuentes (cargas positivas) y sumideros (cargas negativas).
La ley es válida en cualquier situación, pero es especialmente útil cuando el sistema posee simetría (esférica, cilíndrica o planar), ya que permite calcular el campo sin recurrir a integrales complicadas.
Aplicaciones Típicas de la Ley de Gauss
- Esfera cargada:
- Fuera de la esfera, el campo es igual al de una carga puntual.
- Dentro, el campo crece linealmente con la distancia.
- Plano infinito: El campo es constante e independiente de la distancia, lo que permite definir regiones de campo uniforme.
- Cilindro largo o hilo cargado: El campo es radial y decrece con la distancia al eje.
Estas configuraciones ideales se usan en el diseño de condensadores, cables coaxiales y sistemas de distribución eléctrica.
Conductores y Equilibrio Electrostático
En un conductor en equilibrio:
- No existe campo en el interior (de lo contrario, las cargas se moverían).
- Las cargas libres se redistribuyen hasta anular cualquier campo interno.
- El campo exterior es siempre perpendicular a la superficie.
Este comportamiento justifica el uso de recubrimientos metálicos como jaulas de Faraday, que bloquean los campos eléctricos externos.
Energía y Potencial
La energía almacenada en un campo se expresa en términos de la densidad de energía (u):
u = ½ ε₀ E²
Esta magnitud representa la cantidad de energía eléctrica contenida en cada unidad de volumen del espacio.
De esta forma, incluso el vacío puede considerarse como un medio capaz de almacenar energía en presencia de campos eléctricos.
Importancia Conceptual
La Ley de Gauss no solo simplifica el cálculo del campo, sino que revela una verdad más profunda: el campo eléctrico no depende de la forma del espacio, sino de la distribución de carga.
Es, además, una de las cuatro ecuaciones de Maxwell, los pilares del electromagnetismo clásico.
⚡ TEMA 3 – Almacenamiento de Energía Electrostática
Concepto de Almacenamiento Eléctrico
Toda vez que se establece un campo eléctrico, se almacena energía potencial.
El condensador es un dispositivo diseñado específicamente para este fin. Consiste en dos conductores separados por un material aislante. Al conectarlo a una fuente de voltaje, se transfiere carga de una placa a otra. Este proceso requiere trabajo, que queda almacenado en forma de energía electrostática.
Aunque las placas poseen cargas opuestas, el sistema como conjunto es eléctricamente neutro. Lo que realmente se almacena no es carga, sino energía de separación de las cargas.
Capacidad y Materiales Dieléctricos
La capacidad depende exclusivamente de la geometría del condensador y del material que separa las placas. Al introducir un dieléctrico entre ellas, el campo interno disminuye porque el material se polariza. Esta polarización crea campos internos opuestos, aumentando la cantidad de carga que puede almacenarse para el mismo voltaje.
Así, la capacidad se multiplica por el factor de permitividad relativa εᵣ.
Los dieléctricos permiten fabricar condensadores más compactos, con mayor capacidad y voltajes de operación más altos.
Energía en el Campo Eléctrico
El trabajo realizado para cargar un condensador se acumula como energía en el campo. Esta energía puede liberarse bruscamente (descarga) o de forma controlada (por ejemplo, en filtros electrónicos).
La densidad de energía depende del cuadrado del campo eléctrico, lo que implica que pequeñas variaciones de voltaje pueden liberar o almacenar grandes cantidades de energía.
Este principio está detrás del funcionamiento de los desfibriladores, flashes fotográficos y fuentes de energía pulsada.
Combinación de Condensadores
En circuitos eléctricos, los condensadores pueden conectarse de varias formas:
- En serie, la diferencia de potencial total se reparte, pero la carga es la misma.
- En paralelo, la tensión es igual, pero las cargas se suman.
Estas combinaciones permiten ajustar la capacidad equivalente de un sistema a las necesidades de diseño.
Importancia Práctica
Los condensadores son elementos fundamentales en la electrónica moderna. Sirven para:
- Filtrar ruidos eléctricos.
- Almacenar energía temporalmente.
- Desacoplar señales en amplificadores.
- Formar osciladores y circuitos temporizadores.
Su comportamiento dinámico conecta directamente la electrostática con la corriente alterna y los circuitos de alta frecuencia.
⚡ TEMA 4 – Corriente Continua y Circuitos Eléctricos
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica es el flujo ordenado de partículas cargadas a través de un conductor. En los metales, los electrones libres se desplazan bajo la acción de un campo eléctrico.
El sentido convencional de la corriente es el de las cargas positivas, opuesto al movimiento real de los electrones.
Aunque los electrones se mueven muy lentamente (del orden de milímetros por segundo), el campo eléctrico se propaga casi a la velocidad de la luz, de modo que los efectos eléctricos se perciben casi instantáneamente.
Conductividad y Resistencia
No todos los materiales permiten el flujo de corriente con la misma facilidad. La conductividad eléctrica (σ) mide la capacidad de un material para conducir electricidad. Su inversa, la resistividad (ρ), indica la oposición al paso de corriente.
En general:
- Metales → alta conductividad.
- Aislantes → baja conductividad.
- Semiconductores → intermedia y controlable.
La resistencia eléctrica depende tanto de las propiedades del material como de su geometría. Aumenta con la longitud del conductor y disminuye con su sección transversal.
Ley de Ohm y Comportamiento de los Materiales
La Ley de Ohm es una relación experimental que establece que la corriente a través de un conductor es proporcional al voltaje aplicado. No todos los materiales la cumplen estrictamente. Los que sí lo hacen se llaman óhmicos.
La ley tiene validez en un rango limitado de temperatura y condiciones; por ejemplo, un filamento incandescente deja de comportarse de manera lineal al calentarse.
Energía y Efecto Joule
El paso de corriente eléctrica genera calor debido a los choques de los electrones con la red cristalina del conductor. Este fenómeno, conocido como efecto Joule, convierte energía eléctrica en térmica.
Aunque a veces se considera una pérdida, es aprovechado en múltiples aplicaciones: resistencias, calefactores, hornos eléctricos o bombillas incandescentes.
La potencia disipada depende del cuadrado de la corriente, lo que explica por qué los cables deben dimensionarse correctamente para evitar sobrecalentamientos.
Generadores y Fuerza Electromotriz
Un generador es un dispositivo que convierte energía química, mecánica o solar en energía eléctrica. Ejemplos: pilas, baterías, dinamos o paneles solares.
La fuerza electromotriz (fem) no es una fuerza en el sentido mecánico, sino una magnitud que indica la energía por unidad de carga que el generador suministra para mantener la corriente.
Los generadores reales poseen una resistencia interna, por lo que parte de la energía se disipa en su interior.
Leyes de Kirchhoff
Gustav Kirchhoff formuló dos leyes fundamentales que permiten estudiar cualquier circuito, incluso los más complejos:
- Ley de los nudos: La suma de corrientes que entran en un punto es igual a la que sale (Conservación de la carga).
- Ley de las mallas: En una trayectoria cerrada, la suma de las variaciones de potencial (caídas y aumentos) es cero (Conservación de la energía).
Estas reglas, junto con la Ley de Ohm, forman la base del estudio de redes eléctricas.
Potencia y Energía Eléctrica
La potencia eléctrica mide la rapidez con que se realiza trabajo o se transforma energía. En los sistemas domésticos e industriales, el consumo eléctrico se cuantifica en kilovatios hora (kWh), equivalente a 3.6 millones de julios.
Comprender la relación entre tensión, corriente y potencia es esencial para optimizar el rendimiento de los sistemas eléctricos y prevenir pérdidas energéticas.
Aplicaciones y Tecnología
La corriente continua se utiliza en:
- Electrónica (alimentación de circuitos, microprocesadores).
- Automoción (baterías y motores de corriente continua).
- Cargas de dispositivos portátiles.
Su estudio constituye la base para entender la corriente alterna, las leyes de Maxwell y, en última instancia, toda la ingeniería eléctrica moderna.