Tema 1. Electrostática de cargas puntuales

Capítulo 1
Electrostática de cargas puntuales

1.1 Introducción
1.2 Carga eléctrica
1.3 Fuerzas electrostáticas. Ley de Coulomb
1.4 Campo eléctrico. Líneas de campo eléctrico
1.5 Flujo del campo eléctrico. Teorema de
Gauss
1.6 Trabajo de las fuerzas del campo eléctrico
1.7 Energía potencial electrostática. Potencial
eléctrico. Superficies equipotenciales
1.8 Aplicaciones
1.9 Problemas

Objetivos• Saber calcular el campo eléctrico y el potencial eléctrico creados por cargas puntuales y distribuciones simétricas de carga.
• Adquirir los conceptos de energía potencial electrostática y de
potencial eléctrico.

1.1

Introducción

La interacción electromagnética, el electromagnetismo, se encuentra
presente en una amplia gama de fenómenos de distinto ámbito que abarcan
desde las interaccioneselectrónicas en los átomos y moléculas, es decir de la
constitución misma de la materia, a otras en las que se fundamenta la mayor
parte de la tecnología actual: alumbrado, motores, telecomunicación, informática, etc.
Tradicionalmente, se ha dividido el electromagnetismo en dos partes separadas asociadas a sus efectos eléctricos y magnéticos. De hecho, Hans
Christian Oersted, uno de los descubridoresde las relaciones entre ambos
efectos, era profesor de “Electricidad, Galvanismo y Magnetismo”, y hasta la
constatación de esta relación, en la segunda mitad del siglo XIX, dichos efectos
fueron estudiados de modo separado. En la actualidad, conocemos que ambos
1-1

fenómenos son consecuencia de la misma característica de la materia que se
denomina carga eléctrica.
Este capítulo tiene por objetoel estudio de las cargas eléctricas en reposo, la parte del electromagnetismo que se denomina electrostática. En los capítulos 6, 7, 8 y 9 se estudiarán los efectos magnéticos de las cargas eléctricas
en movimiento.
1.2

Carga eléctrica

Comenzaremos este tema observando una experiencia sencilla en la
que se ponen de manifiesto algunas características de la magnitud física carga
eléctrica.Consideremos una bola de plástico colgada con un hilo aislante y frotada con piel; frotemos con piel otra pieza de plástico con forma de barra. Si
acercamos la barra a la bola observamos que la bola y la barra se repelen. Pero si sustituimos la bola de plástico por otra de vidrio y la frotamos con seda, al
acercar la barra de plástico frotada con piel vemos que la bola y la barra se
atraen.

Bola deplástico
frotada con piel

Bola de vidrio
frotada con seda

- - - - - Barra de plástico
frotada con piel

Ámbar = ελεχτρον

Figura 1-1. Fuerzas eléctricas de atracción y repulsión

Antiguamente, los griegos habían hecho experiencias similares pero con
piezas de ámbar, pieles y tejidos en lugar de plástico. De ahí que el origen de
la palabra electricidad es la palabra ámbar que en griego se escribeελεχτρον
(electrón).
Justificación: Modelo atómico. Cargas negativas y positivas
La explicación de estas fuerzas o interacciones aparecidas en los sistemas descritos se basa en la existencia de una propiedad de la materia denominada carga eléctrica. Bastan dos tipos de carga distintos, que se denominan
positiva y negativa, para entender los fenómenos de atracción y repulsión mostrados en la Figura 1-1.Actualmente se sabe que la materia está formada por átomos. Los átomos están constituidos por un núcleo, que contiene protones con carga positiva
y neutrones sin carga eléctrica. Este núcleo está rodeado por una distribución
de electrones con carga negativa. La cantidad de carga de un electrón y de un
protón es la misma, pero de distinto tipo. Entre cargas del mismo tipo aparecen
fuerzas derepulsión y entre cargas de distinto tipo, fuerzas de atracción.
La característica o propiedad de la materia que reside en electrones y
protones se denomina carga eléctrica, Q, y es una propiedad fundamental de la
materia, al igual que lo es la masa. Se dice que un cuerpo está cargado positi-

1-2

vamente si tiene menor número de electrones que de protones, y cargado negativamente si es al...