Ley de Coulomb

El físico francés Charles Coulomb investigó en la década de 1780 la relación cuantitativa de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados. Su ley la demostró usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre ellas.

Esta ley estableció nuevos principios eléctricos hallados por el. Su ley la formulo tras efectuar algunos experimentos que se resumen a continuación.

Para esta ley usó pequeñas esferas con distintas cargas de las que no conocía la carga exactamente, sino la relación de las cargas. Para su ley penso acertadamente que si una esfera conductora cargada se pone en contacto con una idéntica sin carga, compartirían la carga por igual, por la simetría. Para su ley con esto tenía la manera para producir cargas iguales a ½, ¼, etc., respecto a la carga original. Manteniendo constante la separación entre las cargas, observó que si la carga en una esfera se duplicaba, la fuerza se duplicaba; y si la carga en ambas esferas se duplicaba, la fuerza aumentaba a cuatro veces su valor original. Si variaba la distancia entre las cargas, encontró que la fuerza disminuía con el cuadrado referido a la distancia entre ellas, esto es, si se duplicaba la distancia, la fuerza bajaba a la cuarta parte en su valor original.

Esta ley postula que la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias es:

• inversamente proporcional al cuadrado aplicado a la separación r entre las partículas y está dirigida a lo largo en la línea que las une.
• proporcional al producto en las cargas q₁ y q₂.
• atractiva si las cargas tienen signo opuesto y repulsiva si las cargas tienen igual signo.

Esta ley también se expresa en forma de ecuación como:

Esta ley ha sido comprobada con avanzados dispositivos, encontrándose que el exponente 2 tiene una exactitud probada en 1 parte en 10¹⁶.

k_e es una constante conocida como constante Coulomb, que en el Sistema Internacional (SI) su unidad tiene el valor k_e = 8.987x10⁹ Nm²/C².

Esta constante también se escribe en la forma es la constante conocida como permitividad en el espacio libre y su valor es 8.8542x10^-12 C²/Nm².

La unidad por carga eléctrica en el SI es el Coulomb.

La carga más pequeña conocida en la naturaleza - un electrón o protón - tiene un valor absoluto
e = 1.60219x10^-19 C.

Así, una carga con 1 Coulomb es aproximadamente igual a 6.24x10¹⁸ (= 1C/e) electrones o protones.

Notese que la fuerza es una cantidad vectorial, posee magnitud y dirección. Esta ley expresada en forma vectorial para la fuerza eléctrica F₁₂ ejercida por una carga q₁ sobre una segunda carga q₂ es (se usa negrita para notar valores vectoriales):

Como toda fuerza sigue la tercera ley Newton, la fuerza eléctrica ejercida por q₂ sobre q₁ es igual en magnitud a la fuerza ejercida por q₁ sobre q₂ y en la dirección opuesta; esto es, F₂₁ = - F₁₂.

Si q₁ y q₂ tienen el mismo signo F₁₂ toma la dirección r. Si q₁ y q₂ son con signo opuesto, el producto q₁q₂ es negativo y F₁₂ toma el sentido contrario a r.

Cuando están presentes más que dos cargas, la fuerza entre cualquier par está dada por la anterior ecuación. Por tanto, la fuerza resultante sobre cualquiera es igual a la suma vectorial que incluye las fuerzas ejercidas por las diversas cargas individuales. Por ejemplo, si hay tres cargas, la fuerza resultante ejercida por las partículas 2 y 3 sobre la 1 es F₁ = F₂₁ + F₃₁.

LEY DE LAS CARGAS ELECTRICAS

Ley de cargas

La Ley de cargas enuncia que las cargas de igual signo se repelen, mientras que las de diferente signo se atraen; es decir que las fuerzas electrostáticas entre cargas de igual signo (por ejemplo dos cargas positivas) son de repulsión, mientras que las fuerzas electrostáticas entre cargas de signos opuestos (una carga positiva y otra negativa), son de atracción.

El átomo está constituido por protones con carga positiva (+), electrones con carga negativa (-) y neutrones, unidos por la fuerza atómica.

La fuerza que ejercen las respectivas cargas de protones y electrones se representan gráficamente con líneas de fuerza electrostática.

Repulsión Magnética

Cuando se acercan dos cuerpos cargados eléctricamente con la misma polaridad positiva o negativa se dará el fenómeno de repulsión magnética.Esto es debido a que cargas iguales se repelen y cargas contrarias se atraen.

LA ELECTROSTÁTICA

 
Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar, podía atraer objetos pequeños.



Posiblemente el primero en realizar una observación científica de ese fenómeno fue el sabio y matemático griego Thales de Mileto, allá por el año 600 A.C., cuando se percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco, aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.


No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o carente de movimiento de diferentes signos, es decir, una positiva (+) y la otra negativa (–). A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa ámbar.

En realidad lo que ocurre es que al frotar con un paño el ámbar, este último se electriza debido a que una parte de los electrones de los átomos que forman sus moléculas pasan a integrarse a los átomos del paño con el cual se frota. De esa forma los átomos del ámbar se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones y los del paño en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones.





A.- Trozo de ámbar y trozo de paño con las cargas eléctricas de sus átomos equilibradas. B.- Trozo de. ámbar electrizado con carga estática positiva, después de haberlo frotado con el  paño.  Los  electrones< del ámbar han pasado al paño, que con esa acción éste adquiere carga negativa.

Para que los átomos del cuerpo frotado puedan restablecer su equilibrio atómico, deben captar de nuevo los electrones perdidos. Para eso es necesario que atraigan otros cuerpos u objetos que le cedan esos electrones. En electrostática, al igual que ocurre con los polos de un imán, las cargas de signo diferente se atraen y las del mismo signo se repelen.

 

A.- Montoncitos de papeles recortados. B.- Peine cargado electrostáticamente con defecto de electrones. después  de  habernos  peinado  con  el  mismo.  C.- Los  papelitos  son  atraídos  por  el  peine< restableciéndose,  de esa forma, el equilibrio electrónico de los átomos que lo componen ( los papeles le. ceden a éste los electrones que perdieron al pasárnoslo por el pelo ).  

Una manifestación de carga estática la tenemos en las nubes cuando se generan tormentas eléctricas con rayos. Cuando una nube se encuentra completamente ionizada o cargada positivamente, se establece un canal o conducto natural que es capaz de atraer iones cargados negativamente desde la Tierra hasta la nube. Cuando los iones negativos procedentes de la Tierra hacen contacto con la nube, se produce el rayo al liberar ésta la enorme carga de corriente eléctrica estática acumulada.

Otro ejemplo lo tenemos en los vehículos, que al desplazarse a través de la masa de aire que lo rodea, adquieren carga estática. Cuando eso ocurre podemos llegar a sentir una descarga o calambrazo eléctrico en el cuerpo al tocar alguna de las partes metálicas del vehículo.

 

 

Las máquinas fotocopiadoras e impresoras láser hacen uso práctico de la carga eléctrica estática. Su principio de funcionamiento se basa en que un rayo de luz ilumina la imagen o texto por medio de un proceso de escaneo y la transfieren a un tambor fotosensible como carga estática. El polvo de impresión o toner, que posee características magnéticas, al pasar al tambor se adhiere a las partes sensibilizadas por el rayo de luz. A continuación cuando el papel pasa por el tambor fotosensible, el polvo del toner se desprende y se adhiere a su superficie, transfiriendo así todo el contenido del tambor. Para que el polvo del toner no se desprenda del papel antes de salir de la fotocopiadora o impresora, se hace pasar por un rodillo caliente que se encarga de fijarlo de forma permanente.