Lo que Necesitas Saber sobre Electroestática (al menos para Selectividad)
Ok, pequeños físicos.
Vamos directamente al problema: imagina que tengo tres cargas eléctricas de distinto
valor, las coloco en tres sitios distintos y las calvo allí para que no se muevan.
Si cogiera una cuarta carga, la dejara en el centro y la soltara, ¿qué le pasaría?
La carga sería empujada hacia algún lugar, ya sabéis que cargas del mismo signo se repelen
y de opuesto se atraen, pero ¿hacia dónde iría exactamente?
¿y con qué aceleración?
¿y cuánta energía ganaría tras recorrer unos metros?
Estas son preguntas que la peña de selectividad tiene que responder en su examen.
Para ello cuentan con entidades físicas como es el Campo o el Potencial, a veces teniendo
una idea un poco pobre de que es cada cosa y de cómo se relacionan.
Hoy vamos a echarle un ojo a esto.
Empecemos por lo básico: si algo te está empujando es porque está ejerciendo sobre
ti una fuerza.
En este caso es la fuerza eléctrica: cuanto más cargado estés más te afecta, cuanto
más alejado estés menos te afecta.
Aquí tenemos tres cargas aplicando tres fuerzas distintas, ¿qué hacemos?
Sumar todos los tirones.
Algunos se van a contrarrestar un poco al estar en direcciones opuestas, pero otros
se va reforzar al tirar en el mismo sentido.
La combinación de todas estas fuerzas nos está apuntando hacia dónde va ir la carga
y la intensidad del empujón.
Convoca a la segunda ley de newton y ya tienes su aceleración.
Pero, espera: al haberse movido la carga de su lugar original ahora está a unas distancias
distintas de las cargas y las direcciones tampoco son iguales.
Así que si quiero saber como va acelerar la carga a partir de ahora tengo que volver
a calcular la fuerza en esta situación.
Y me va a aparecer este problema a cada paso que de, por lo que es difícil ver de primeras
cuál va a ser el recorrido de la carga.
¿Solución?
Los físicos idearon el Campo.
Imaginate que un equipo de personas (con mucho tiempo) se encargan de ir por ahí colocando
una pequeña carga en cada punto del espacio, sumando sus fuerzas y anotando la fuerza resultante
en ese mismo punto.
Con el tiempo acabarían llenando el lugar de todo un “mapa de flechas”.
Este es el campo eléctrico.
Visualizar la interacción eléctrica de esta manera tiene ventajas: la primera es que puedes
saber de un plumazo la fuerza que va experimentar una carga si la pones en cualquier lugar,
solo tienes que escalar el valor.
Como esta flecha refleja la fuerza que siente una unidad de carga, si tu bicho tiene tres
culombios de carga tendrás que multiplicar el valor de la fuerza por tres.
Es decir, que campo te está diciendo la fuerza por unidad de carga, obteniendo así la relación
entre campo y fuerza.
¡Además ahora queda super clara cuál va a ser la trayectoria que va a seguir nuestra
carga!
Con el campo eléctrico ya casi que podemos olvidarnos de las cargas.
Aquí ya está toda la información física que necesitamos.
Eso hizo pensar a los físicos que el campo no es una mera tabla de flechas, si no que
es algo muy real; un objeto que llena el espacio y que funciona como un medio que permite a
las distintas cargas influirse.
¡Incluso sabemos que se propagan ondas a través de él!
Pero este campo también puede ser visualizado de otra manera: a través del potencial.
Al igual que en el vídeo sobre gravedad ya hablé sobre como la Tierra le confiere a
los objetos una una energía potencial gravitatoria, estas cargas le están confiriendo a la nuestra
una energía potencial eléctrica, un número que refleja la energía cinética que puede
ganar o perder un objeto si se la lleva a un cierto lugar que se elige de manera caprichosa
(recomiendo mucho ver el vídeo de gravedad para entender esto bien, es importante).
Bien, aquí tenemos el mismo problema que antes: una vez mueva la carga las distancias
cambiaran lo que cambiara el valor de cada contribución de energía potencial, por lo
que si quiero saber cuánta energía cinética ganaría la carga si la muevo hasta un cierto
lugar, voy a tener que hacer un montón de sumas a cada paso que doy.
¿Solución?
Convocas al equipo de antes para que calculen en cada lugar del espacio cuánta energía
potencial tiene una carga unidad si la dejan allí.
El resultado es otro mapa, pero esta vez de números: este es el Potencial Eléctrico;
cuánta energía potencial eléctrica adquiriría un objeto por unidad de carga si lo pusieramos
allí.
Fijaos que tanto el potencial eléctrico como el campo eléctrico son propiedades de las
cargas originales, no depende de que hayamos añadido la cuarta carga. lo que sí son propiedades
de la cuarta carga son la fuerza que siente por estar en el campo o, equivalentemente,
la energía potencial que gana por estar en el potencial.
Pero cuidado, como también dije en el vídeo de gravedad, los valores tal cual del potencial
en general no te dan ninguna información, son las diferencias de potencial las que te
dicen cuánta energía cinética vas a ganar por unidad de carga, cuanto vas a acelerar.
Es decir que si en una cierta dirección el potencial aumenta quiere decir que si vas
allí vas a ganar energía potencial por lo que tiene que haber una fuerza en contra de
ti.
Si por el contrario vas en una dirección en el que el potencial desciende quiere decir
que está perdiendo energía potencial, por lo que tiene que haber una fuerza a tu favor.
Aquí está la conexión.
El campo con sus flecha está apuntando hacia dónde el potencial eléctrica cambia; en
concreto, hacia dónde disminuye.
Y ¿cómo se mide con matemáticas como cambia algo?
Utilizando la derivada.
El campo eléctrico es la derivada espacial (normalmente llamada gradiente) del potencial
eléctrico (el menos es por lo de la disminución).
Y esta propiedad matemática (que le campo sea el gradiente de un campo escalar, al menos
mientras las cargas están quietas) nos quita de rollos con la energía.
Si quiere mover tu carga del punto A al punto B, no tienes por qué preocuparte por el camino
que estás tomando: hay un teorema que te garantiza que el cambio de energía es el
mismo en todos ellos.
Solo importa dónde empiezas y dónde acabas.
Y ahí lleváis esa electroestática, chavales.
Y ya sabes si quieres más ciencia solo tienes que suscribirte.
Y gracias por verme.
