El campo eléctrico y la ley de Coulomb

Este cuestionario de Física de 2º de Bachillerato aborda la electrostática, bloque estructuralmente paralelo al campo gravitatorio con el que comparte formalismo matemático (ambas son interacciones centrales que decaen con el cuadrado de la distancia), aunque con una diferencia esencial: la fuerza eléctrica puede ser atractiva o repulsiva según el signo relativo de las cargas.

Se parte de la ley de Coulomb, F = k|q₁q₂|/r², para introducir el campo eléctrico creado por una carga puntual, E = kq/r², y el potencial eléctrico, V = kq/r —magnitud escalar, a diferencia del campo, que es vectorial—. Se resuelve un problema numérico completo: dadas dos cargas de +2 μC y -4 μC separadas 0,5 m, se calcula la fuerza electrostática entre ellas aplicando la ley de Coulomb paso a paso, obteniendo 0,288 N.

Un punto conceptual clave, fuente habitual de confusión con el campo gravitatorio, es la relación entre campo y potencial: el campo eléctrico es el gradiente negativo del potencial, E = -∇V. Esto implica que un campo eléctrico nulo en un punto no significa que el potencial sea cero en ese punto, sino solo que el potencial no varía localmente allí (y si el campo es nulo en toda una región, el potencial es constante en ella) —un resultado contraintuitivo que se trabaja explícitamente en el cuestionario.

Se estudia el principio de superposición (el campo eléctrico total es la suma vectorial de los campos individuales, mientras que el potencial total es la suma escalar), lo que se aplica al caso de dos cargas iguales y opuestas: en el punto medio del segmento que las une, el potencial es exactamente cero porque las contribuciones escalares se cancelan, aunque el campo eléctrico en ese punto no lo sea.

También se define la superficie equipotencial (lugar geométrico de puntos con el mismo potencial, sobre la cual el trabajo para desplazar una carga es siempre nulo) y se analiza el signo del trabajo del campo eléctrico: una carga positiva que se mueve en el sentido de las líneas de campo se desplaza hacia potenciales decrecientes, por lo que su energía potencial disminuye.

Las 12 preguntas combinan un problema numérico de aplicación directa de la ley de Coulomb con preguntas conceptuales sobre la naturaleza escalar/vectorial de campo y potencial, superposición, y superficies equipotenciales. Las 12 flashcards resumen las fórmulas esenciales del bloque y las 8 preguntas de desarrollo permiten practicar por escrito el razonamiento.

• Aplicar la ley de Coulomb para calcular la fuerza electrostática entre cargas puntuales
• Calcular el campo eléctrico y el potencial eléctrico creados por una o varias cargas puntuales mediante el principio de superposición
• Distinguir la naturaleza vectorial del campo eléctrico de la naturaleza escalar del potencial eléctrico
• Explicar la relación entre campo eléctrico nulo y potencial constante (no necesariamente nulo) en una región del espacio
• Determinar el signo de la variación de energía potencial eléctrica de una carga que se desplaza en un campo eléctrico

"Considere dos cargas puntuales q₁ = +2·10⁻⁶ C y q₂ = -4·10⁻⁶ C situadas en el vacío a una distancia de 0,5 m. El módulo de la fuerza electrostática que ejerce q₁ sobre q₂ es F = k|q₁q₂|/r² = 9·10⁹ · (8·10⁻¹²)/0,25 = 0,288 N. El campo eléctrico es el gradiente negativo del potencial: E = -∇V."