Ley de Coulomb

Ley de Coulomb

Charles Coulomb midió las magnitudes de las fuerzas eléctricas de objetos cargados; para ello, hizo uso de la balanza de torsión, que él mismo inventó. El principio de funcionamiento de la balanza de torsión es el mismo que el del dispositivo utilizado por Cavendish para medir la constante de gravedad, con esferas reemplazadas eléctricamente por esferas cargadas. (Serway, Física para ciencias e ingenierías, 2008, pág 645).

La fuerza eléctrica entre las esferas dentro de la balanza, a y b en la Figura 1.1, hace que éstas se atraigan o se repelan, y el movimiento resultante provoca la torsión de la fibra suspendida.[pic 1]

Figura 1.1 La balanza de torsión de Coulomb, tomada de su informe de 1785 a la Academia de Ciencas en París.

Debido a que el momento de torsión de recuperación de la fibra torcida es proporcional al ángulo de rotación de ésta, la lectura de este ángulo da una medida cuantitativa de la fuerza eléctrica de atracción o de repulsión.

Una vez que ambas esferas están cargadas por fricción, la fuerza eléctrica entre ellas se vuelve muy grande en comparación con la fuerza de la gravedad y, por lo tanto, esta última fuerza puede ignorarse.

A partir de los experimentos de Coulomb, se generalizan las propiedades de la fuerza eléctrica entre dos partículas estacionarias cargadas. Para ello, se utiliza el término carga puntual, que hace referencia a una partícula con una carga de tamaño cero. El comportamiento eléctrico de los electrones y protones está bien descrito si se representan como cargas. (Resnick, Física Vol. 2, 2007, pág 4).

Los experimentos realizados por Coulomb y sus contemporáneos demostraron que la fuerza eléctrica que un cuerpo cargado ejerce sobre otro depende directamente del producto de las magnitudes de las dos cargas e inversamente del cuadrado de su separación, es decir:

[pic 2]

Aquí Fe es la magnitud de la fuerza mutua que actúa sobre cada una de las dos cargas a y b; q1 y q2 son las medidas relativas de las cargas en las esferas a y b, y r es la distancia entre sus centros. La fuerza en cada carga debida a la otra actúa a lo largo de la línea que une a las cargas. Las dos fuerzas apuntan en sentidos opuestos, pero tienen magnitudes iguales, aun cuando las cargas sean diferentes.

Para convertir la proporcionalidad anterior en una ecuación, se introduce una constante de proporcionalidad, la cual se representa como k. Así, se logra obtener, para la fuerza entre las cargas: (Resnick, Física Vol. 2, 2007, pág 5)

[pic 3]

donde ke es una constante conocida como constante de Coulomb. Con un valor de: ke = 8.989 x109 [pic 4]

Además, esta constante se expresa como [pic 5]

El valor de la constante de Coulomb depende de la elección de las unidades. La unidad de carga del SI es el coulomb (C). La constante de Coulomb k e en unidades del SI tiene el valor

Fuerza y cargas electrostáticas

La fuerza electrostática se genera a partir del contacto entre dos o más cuerpos cargados encontrados en reposo. A la fuerza electrostática también se le conoce como “fuerza o interacción de Coulomb”. (Martínez, ¿Qué son las fuerzas electrostáticas?, 2021)

Dicha fuerza actúa sobre una distancia de una décima parte de la magnitud del diámetro de un núcleo atómico, a medida que las partículas u objetos se alejan de éste, la fuerza disminuye hasta desaparecer. Existen dos tipos de cargas electrostáticas:

De atracción: cuando las cargas son de signos diferentes, y se atraen entre sí.

De repulsión: cuando las cargas son de signos iguales y se repelen.

Cargas electrostáticas.

De igual manera, existen distintas maneras de cargar un objeto:

• Carga por conducción, o contacto: los objetos entran en contacto y se cargan de manera positiva o negativa. Es decir, los electrones en cada átomo del objeto comienzan a moverse. Si un electrón pasa de un objeto a otro, el primero queda con carga positiva y el segundo, con carga negativa. (Wilson & Buffa, Física, 2007, pág 511)
• Carga por fricción: en este caso los objetos están en contacto y además se produce fricción entre ellos. Los objetos se cargan positiva o negativamente y se produce una mayor descarga electrostática. (Wilson & Buffa, Física, 2007, pág 511)
• Carga por inducción: un cuerpo con carga se aproxima a otro neutro, causando una redistribución en las cargas de éste. Para que este proceso se complete, es necesario conectar brevemente el objeto a tierra para después retirar el cuerpo cargado. Es un método de carga sin contacto directo. (Martínez, ¿Qué son las fuerzas electrostáticas?, 2021)

Halliday David, Resnick Robert, Física Vol. 2 4ta edición (1999), Capítulo 27, pág. 4-5.

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