5.1 Carga eléctrica

Solo hay dos tipos de carga, que llamamos positiva y negativa. Las cargas similares se repelen, las cargas diferentes se atraen, y la fuerza entre las cargas disminuye con el cuadrado de la distancia.
La gran mayoría de la carga positiva en la naturaleza la llevan los protones, mientras que la gran mayoría de la carga negativa la llevan los electrones. La carga eléctrica de un electrón es igual en magnitud y de signo contrario a la carga de un protón.
Un ion es un átomo o molécula que tiene una carga total distinta de cero debido a que tiene un número desigual de electrones y protones.
La unidad del SI para la carga es el culombio (C), con protones y electrones que tienen cargas de signo opuesto pero de igual magnitud; la magnitud de esta carga básica es $e \equiv 1,602 \times 10^{−19} C$
Tanto las cargas positivas como las negativas existen en los objetos neutros y pueden separarse poniendo los dos objetos en contacto físico; al frotar los objetos se pueden eliminar los electrones de los enlaces de un objeto y colocarlos en el otro, aumentando la separación de cargas.
Para los objetos macroscópicos, la carga negativa significa un exceso de electrones y la carga positiva significa un agotamiento de electrones.
La ley de conservación de la carga establece que la carga neta de un sistema cerrado es constante.

5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción

Un conductor es una sustancia que permite que la carga fluya libremente a través de su estructura atómica.
Un aislante mantiene la carga fija en su lugar.
La polarización es la separación de cargas positivas y negativas en un objeto neutro. Los objetos polarizados tienen sus cargas positivas y negativas concentradas en zonas diferentes, lo que les confiere una distribución de la carga.

La ley de Coulomb da la magnitud del vector fuerza entre cargas de puntos. Es
${\vec{F}}_{12} (r) = \frac{1}{4 π ε_{0}} \frac{q_{1} q_{2}}{r_{12}^{2}} {\hat{r}}_{12}$
donde $q_{1}$ y $q_{2}$ son dos cargas de puntos separadas por una distancia r. Esta fuerza de Coulomb es extremadamente básica, ya que la mayoría de las cargas se deben a partículas puntuales. Es responsable de todos los efectos electrostáticos y subyace a la mayoría de las fuerzas macroscópicas.

El campo eléctrico es una alteración del espacio causada por la presencia de una carga eléctrica. El campo eléctrico media la fuerza eléctrica entre una carga fuente y una carga de prueba.
El campo eléctrico, al igual que la fuerza eléctrica, obedece al principio de superposición
El campo es un vector; por definición, apunta lejos de las cargas positivas y hacia las negativas.

Un número muy grande de cargas puede ser tratado como una distribución de carga continua, donde el cálculo del campo requiere integración. Los casos más comunes son:
- unidimensional (como un cable); utiliza una densidad de carga lineal $λ$
- bidimensional (placa de metal); utiliza la densidad de carga superficial $σ$
- tridimensional (esfera de metal); utiliza la densidad de carga volumétrica $ρ$
La "carga fuente" es una cantidad diferencial de carga dq. El cálculo de dq depende del tipo de distribución de la carga de la fuente:
$d q = λ d l; d q = σ d A; d q = ρ d V .$
La simetría de la distribución de la carga suele ser clave.
Casos especiales importantes son el campo de un cable "infinito" y el campo de un plano "infinito".

Los diagramas de campo eléctrico ayudan a visualizar el campo de una carga fuente.
La magnitud del campo es proporcional a la densidad de líneas de campo.
Los vectores de campo son siempre tangentes a las líneas de campo.

Si se coloca un dipolo permanente en un campo eléctrico externo, se produce una torsión que lo alinea con el campo externo.
Si un átomo (o molécula) no polar se coloca en un campo externo, adquiere un dipolo inducido que se alinea con el campo externo.
El campo neto es la suma vectorial del campo externo más el campo del dipolo (físico o inducido).
La fuerza de la polarización se describe mediante el momento dipolar del dipolo,
$\vec{p} = q \vec{d}$ .