Ley de Coulomb

Experiencia No. 10

Ley de Coulomb

Objetivo.

1. Visualizar la fuerza electrostática que ejercen dos cargas entre sí.
2. Observar cómo el cambio del signo, la magnitud de las cargas y la distancia entre ellas afecta la fuerza electrostática.

Procedimiento.

Vaya al laboratorio virtual: https://phet.colorado.edu/sims/html/coulombs-law/latest/coulombs-law_en.html.  Presionar Atomic Scale. Se debe ver la pantalla como en la Fig. 1.

[pic 1]

Figura 1. Ilustración de laboratorio virtual de ley de Coulomb-escala atómica.

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb es una ley experimental que cuantifica la fuerza, , entre dos cargas puntuales estáticas, y , separadas una cierta distancia, , en un medio cualquiera. La fuerza siempre es a lo largo de la línea que une las cargas. Matemáticamente se expresa como [1],[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5]

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donde  es la constante de Coulomb y depende del tipo de medio. Así, la constante de Coulomb puede expresarse como función de la permitividad eléctrica del medio, ε,[pic 7]

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donde  es la permitividad (constante dieléctrica) del vacío y  es la permitividad relativa del medio. La permitividad eléctrica es la capacidad de un material para permitir o transmitir un campo eléctrico. La unidad de la carga eléctrica es proporcional a la carga elemental del electrón, C, [C]: Coulomb. La unidad de ε es [C2/Nm2], por tanto, la unidad de K será la inversa de esta. [pic 9][pic 10][pic 11]

- Aplicación de Ley de Coulomb

1. Utilice el aplicativo encuentre la fuerza entre las cargas y , si: i) ambas valen +1; ii) si  y  y iii) si  y , cuando están separadas por 20 pm (picómetros).  Halle manualmente la fuerza, por medio de la Ec. (1), en los tres casos anteriores y compare con los valores dados por el aplicativo. Tenga en cuenta que, el medio del aplicativo es el vacío, por tanto,  Nm2/ C2[pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19]

2. Para el punto anterior, ¿en qué casos la fuerza es atractiva y en cuáles repulsiva?

- Variación de la Fuerza de Coulomb con el valor de las cargas

3. Encuentre la fuerza de Coulomb, manualmente y con el aplicativo, si ahora se duplican los valores de las cargas y  pero se mantiene constante la distancia entre ellas, con respecto al punto 1. Considere que la fuerza entre ambas cargas es atractiva. ¿La fuerza disminuyó o aumentó con respecto a cualquiera del punto 1?[pic 20][pic 21]

- Variación de la Fuerza de Coulomb con la distancia entre cargas

4. Halle la fuerza de Coulomb, manualmente y con el aplicativo, si se duplica la distancia entre las cargas, pero ahora se mantiene constante el valor de estas, con respecto al punto 1. Considere que la fuerza entre ambas es repulsiva. ¿La fuerza aumentó o disminuyó con respecto a cualquiera del punto 1?

-  Variación de la Fuerza de Coulomb con la permitividad relativa del medio

5. La permitividad relativa de los lípidos es  mientras que la de las proteínas es . ¿En cuál de estos dos medios la fuerza de Coulomb entre dos cargas  y , separadas 100 pm es mayor? Para esto, utilice las ecuaciones (1) y (2). Puede calcular manualmente y/o ayudándose con el aplicativo.[pic 22][pic 23][pic 24][pic 25]

Este es un ejercicio interesante pues da razón del porqué los canales iónicos son de proteínas y no de lípidos: es más fácil trasportar iones desde un medio de alto valor de constante dieléctrica como el agua ( hacia un medio de permitividad relativa menor, pues se requiere realizar un trabajo. Como la constante dieléctrica de las proteínas es mayor a la de los lípidos, transportar iones a través de proteínas es menos costoso energéticamente [2].[pic 26]

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