Cuando se ponen en contacto dos conductores cargados (al menos uno de ellos), previamente en equilibrio, se iguala el potencial eléctrico y no la carga eléctrica. Ésta se reajustará en ambos conductores conforme la dependencia de la carga con el potencial pero respetando la conservación de carga en el sistema. En el caso de una esfera conductora, el potencial eléctrico es proporcional a Q/R². Así, cuando ambas esferas, de diferente tamaño, están cargadas, tras el contacto siempre pasa carga desde la esfera pequeña hacia la grande. Es lo mismo que ocurre cuando conectamos con un tubo dos pompas de diferente tamaño: se iguala la diferencia de presiones pasando aire de la pequeña hacia la grande. Ojo, una pompa no se comporta como un globo. ¿Qué ocurriría si conectamos una pompa con un globo vacío?
Conductor en equilibrio y acumulación de carga
Se sabe que un conductor en equilibrio (entendido como un volumen encerrado por una superficie), sometido a la acción de un campo eléctrico externo, exhibe por inducción una acumulación de carga eléctrica (incluso estando inicialmente descargado) SOBRE su periferia (superficie). Lo primero a destacar es que la densidad superficial de carga inducida no es constante, es decir, no tiene por qué estar cargado homogéneamente el conductor en equilibrio. Piénsese en la esfera conductora descargada sometida a un campo eléctrico uniforme. Lo mismo le ocurrirá a la esfera conductora hueca. Pero, ¿qué ocurre con conductores que no encierran un volumen como un disco, una placa, un anillo o una varilla? ¿Aparecerá también carga inducida a lo largo de su contorno o extremos siendo cero la carga neta en el centro o mitad del conductor? La respuesta es NO. La densidad de carga inducida en conductores superficiales varía con la posición, creciendo desde el centro hasta la periferia salvo el caso límite del plano infinito, donde la carga inducida está homogéneamente distribuida. ¡Sobre una varilla conductora la densidad lineal de carga inducida también es constante! En todos estos casos de conductores no cerrados, no es posible aplicar las propiedades de los conductores 3D en equilibrio:
- campo eléctrico total en el interior material nulo
- carga neta en el interior material nula
- superficie del conductor a potencial constante
- campo eléctrico cerca de la superficie perpendicular y proporcional a la densidad de carga inducida local
De esta manera, el típico plano conductor en equilibrio se debe modelar como una plancha muy delgada conductora e indefinida, con carga inducida positiva y negativa en ambas caras respectivamente conforme el campo eléctrico externo. Lo mismo ocurrirá con las cortezas conductoras esféricas y cilíndricas, de espesor no despreciable.
Cálculo de campo eléctrico
Para el cálculo del campo eléctrico producido por objetos cargados no puntuales existen diferentes estrategias: una más genérica aunque tediosa (integración directa), otra más fácil pero no tan genérica (Ley de Gauss) y otra que divide el sistema en partes más simples y utiliza el resultado de aplicar alguna de las estrategias anteriores a cada subsistema (Superposición). El camino más seguro siempre es la integración directa pero requiere de un alto manejo de cálculo integral en 1, 2 y 3 dimensiones de integrandos vectoriales y en ocasiones expresados en coordenadas curvilíneas. Para aplicar la ley de Gauss siempre debe existir cierta simetría de ahí que no se puede aplicar a los objetos cargados finitos con bordes o a objetos heterogénamente cargados sin simetría. El método de superposición es bastante útil para objetos con huecos. En este caso el objeto se divide en un objeto macizo cargado homogéneamente (sin hueco) y otro objeto con forma de hueco cargado homogéneamente pero de signo contrario y situado donde el hueco. Sin embargo, en cualquier estrategia, se deben tener muy claro e identificar las distintas regiones del espacio donde se ha de calcular el campo eléctrico, poniendo especial atención en la dirección del campo y el signo de las coordenadas cuando se usen cartesianas.
Unidades en electromagnetismo
En electrostática, la propiedad intrínseca de los cuerpos es la carga eléctrica, aunque la unidad fundamental (operacional) del S.I. antes que el culombio (C) es el amperio (A=C/s). Eso quiere decir que el campo eléctrico se debe expresar en V/m antes que en N/C mientras que el campo magnético en teslas (T) antes que N/(A m). Al mismo tiempo, un voltio es V= J/C=N m/C, según la definición de potencial electrostático, pero también se puede escribir como V=T m²/s según la ley de Lenz-Faraday.
La fuerza electromotriz no es una fuerza
La fuerza electromotriz (f.e.m) es la manifestación, en términos de diferencia de potencial eléctrico, de una corriente eléctrica inducida debida a una variación temporal del flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado (que no significa superficie cerrada) conforme la ley de Lenz-Faraday. Por tanto, la f.e.m. no es una fuerza como tal, aunque es la causante del transporte de carga de un punto a otro (corriente eléctrica) mediante fuerzas no conservativas. La f.e.m. se define positiva pero, como ocurriera con la d.d.p., puede tener signo negativo si se mide en sentido contrario al movimiento natural de las cargas.
Matemáticamente, la fuerza electromotriz es la circulación del campo eléctrico total (electrostático e inducido) a lo largo del circuito (cerrado). No es el trabajo por unidad de carga que realizan las fuerzas eléctricas de origen no electrostático para transportar las cargas dentro del circuito. En el primer caso, posición y tiempo en el campo eléctrico son independientes entre sí durante el recorrido del contorno de integración (circuito) mientras que en el segundo, el tiempo fluye con el trazado de la trayectoria de las cargas (contorno de integración). Por otro lado, las fuerzas magnéticas que actúan sobre cargas eléctricas en movimiento son ejemplos de esas fuerzas eléctricas no conservativas inducidas pero es conocido que el trabajo de las fuerzas magnéticas es siempre cero (¿fuerza electromotriz cero?)