Campo eléctrico: qué es, fórmula e intensidad

El campo eléctrico es una magnitud física que describe la influencia que ejerce una carga eléctrica sobre otras cargas en su entorno. Esta influencia se manifiesta a través de fuerzas eléctricas que actúan sobre las cargas colocadas en su presencia. De manera más precisa, podemos definir el campo eléctrico en un punto como la fuerza eléctrica que experimentaría una carga de prueba positiva colocada en ese punto, dividida por el valor de la carga de prueba.

En términos más simples, podríamos imaginar el campo eléctrico como un campo de fuerzas invisibles que rodea a una carga eléctrica. Si colocamos una carga de prueba en cualquier punto dentro de este campo, sentirá la fuerza ejercida por las otras cargas presentes en el entorno.

En el caso de las cargas positivas, las líneas del campo eléctrico generado se dirigen hacia fuera. Mientras, en el caso de las cargas negativas, los vectores del campo eléctrico son salientes del cuerpo en cuestión. Por esa razón, cuando dos cargas del mismo signo interactúan entre sí, sus campos eléctricos experimentan fuerzas de repulsión. Justo, al contrario, cuando son cargas de distinto signo, las fuerzas del campo eléctrico son atractivas.

Por tanto, al dibujar el campo eléctrico de varias partículas con diferentes signos, los vectores de campo saldrán de la carga positiva para entrar en la negativa, sin que estas líneas se crucen. Según el principio de superposición de campos, y otros postulados como la conservación de la energía eléctrica y la unicidad del campo eléctrico, si las líneas de campo se cruzasen violarían el principio fundamental de que cada punto del espacio tiene una dirección definida para el campo eléctrico. Si existen varias cargas en el entorno, el valor del campo eléctrico será la resultante de todas ellas.

Gracias a los estudios y experimentos realizados por Charles Augustin de Coulomb en relación con las cargas eléctricas pudo desarrollarse una expresión alfanumérica para definir la intensidad del campo eléctrico resultante. Así, la fórmula matemática que describe el campo eléctrico E creado por una carga puntual q en un punto del espacio se expresa como:

E=k⋅∣q∣r²

E=r²k⋅∣q∣​

Donde:

• E es la intensidad del campo eléctrico,
• k es la constante eléctrica del medio,
• q es el valor absoluto de la carga que origina el campo,
• R es la distancia desde la carga puntual al punto donde se quiere calcular el campo.

La constante eléctrica k depende del medio en el que se encuentran las cargas. De esta manera, la misma carga produciría una intensidad mayor del campo eléctrico en el vacío que un medio material como el agua.

Esta fórmula no solo es útil para describir la interacción de las cargas eléctricas, también predice la trayectoria de estas como sucede en los aceleradores de partículas. La aplicación de esta fórmula permite diseñar aparatos electrónicos, es útil en la comprensión del campo electromagnético y los diferentes usos en ingenierías e industrias como los sistemas de distribución de energía.

La intensidad del campo eléctrico determina las fuerzas de atracción y repulsión de las cargas y se mide en newtons por coulomb. Esta unidad nos indica cuánta fuerza experimenta una carga de prueba positiva de un coulomb en el campo eléctrico en un punto determinado. La dirección del campo eléctrico en un punto dado es la dirección en la que una carga de prueba positiva se movería si se colocara en ese punto.

La intensidad de campo eléctrico es una magnitud no solo importante en los puntos señalados en el apartado anterior. Desde el punto de vista químico condiciona las reacciones químicas que formarán los futuros minerales de la roca. Así, un campo eléctrico presente en aguas hidrotermales actuará como catalizador de ciertas sustancias, facilitando el transporte iónico a través del fluido. Al mismo tiempo la polaridad de los minerales ante un campo eléctrico puede afectar a su estructura cristalina.

A nivel macroscópico, el estudio de la intensidad del campo eléctrico hace posible detectar anomalías en la resistividad eléctrica, lo que permite construir modelos geofísicos precisos que den una imagen de la estructura y materiales que forman el subsuelo. Estos métodos son extremadamente útiles en la localización de los sulfuros metálicos gracias a sus propiedades físicas.

A continuación, se añaden algunos ejemplos de campo eléctrico para facilitar la comprensión sobre esta temática.

Prospección de agua subterránea

Las mediciones del campo eléctrico de los cuerpos de agua subterránea sirven para mapear las características del subsuelo, teniendo en cuenta la variación de la resistividad eléctrica entre el acuífero y la roca almacén.

El experimento consiste en aplicar un campo eléctrico al subsuelo mediante electrodos, de modo que la corriente eléctrica fluya con mayor facilidad a través de materiales que conducen la electricidad, como el agua, mientras que encuentra más resistencia en materiales menos conductores, como las rocas compactas. En condiciones normales los valores de resistividad eléctrica del agua subterránea son considerablemente menores que la roca encajante.

Detección de fallas geológicas

Las zonas de fractura en la corteza terrestre, donde se produce el desplazamiento de bloques de roca, poseen sustanciales diferencias en los valores de resistividad eléctrica. Conocer su ubicación y distribución facilita las labores de exploración de recursos minerales y previenen riesgos geológicos, como los terremotos.

Por el efecto que pueden tener la presencia de fallas en la rentabilidad de la exploración y en la seguridad, la detención temprana de fallas mediante métodos geofísicos, como la prospección eléctrica, puede ser crucial para la planificación de proyectos de ingeniería y la gestión de riesgos.

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Monitoreo de la contaminación de suelos y aguas subterráneas

Los campos eléctricos también se utilizan en la monitorización de la contaminación de suelos y aguas subterráneas. Una vez más, la técnica de resistividad eléctrica ayuda a identificar la distribución y extensión de contaminantes, como productos químicos o metales pesados.

Al realizar mediciones de en diferentes puntos de un área contaminada, es posible mapear la distribución espacial de los contaminantes y evaluar su impacto ambiental. La monitorización continua de la resistividad eléctrica en áreas contaminadas puede proporcionar información valiosa sobre la eficacia de las medidas de remediación y el comportamiento a largo plazo de los contaminantes en el subsuelo.

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