Electróestatica: Ley de Coulomb

Un poco de historia.

El físico francés Charles A. Coulomb (1736-1804) es famoso por la ley física que relaciona su nombre. Es así como la ley de Coulomb describe la relación entre fuerza, carga y distancia. En 1785, Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estáticamente. Dos cargas eléctricas ejerce entre sí una fuerza de atracción o repulsión. Coulomb demostró que la fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos eléctricamente, es directamente proporcional al producto de sus masas eléctricas o cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Tal fuerza se aplica en los respectivos centros de las cargas y están dirigidos a lo largo de la línea que las une. Estas afirmaciones constituyen la ley de Coulomb que se representa por una expresión análoga a la ley gravitacional de Newton.

Definiciones importantes para el estudio de la ley de coulomb

La carga eléctrica, al igual que la masa, constituye una propiedad fundamental de la materia. El desarrollo de la Teoría atómica moderna permitió aclarar el origen de la naturaleza de los fenómenos eléctricos. Un átomo de cualquier sustancia está constituido en esencia, por una región central o núcleo y una envoltura externa formada por electrones.

• El núcleo está formado por dos tipos de partículas, 

1. Los protones, dotados de carga eléctrica positiva. 
2. Los neutrones sin carga eléctrica aunque con una masa semejante a la del Protón.

• Los electrones son partículas mucho más ligeros que los protones y tienen carga eléctrica negativa. La carga de un electrón es igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protón. Las fuerzas eléctricas que experimentan los electrones respecto del núcleo hacen que éstos se muevan en torno a él. La carga del electrón (o protón) constituye el valor mínimo e indivisible de cantidad de electricidad.

Ahora vallamos al lo que es la Ley de Coulomb.


Es la ley fundamental de la electroestática y su objeto de estudio es la fuerza que se produce debido a la interacción entre cargas eléctricas, cuando estas se encuentran en estado de repulsión o atracción. Este estudio fue realizado por el anteriormente mencionado, físico francés Charles Agustín Coulomb (1736-1806) en el siglo XVIII. Esté invento una máquina capaz de medir la fuerza que producían dos cargar eléctricas cuando interactuaban entre si, a que denomino balanza de torsión. Con este instrumento logró establecer mediante muchas repeticiones de la experiencia, que la fuerza de repulsión o atracción de dos cargas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de que las separa.

Después de realizar numerosas mediciones haciendo variar las esferas cargadas en la balanza de torsión y la separación entre ellas, Coulomb pudo determinar que:

Si se mantiene constante la separación entre las cargas, la fuerza de atracción o de repulsión es, en valor absoluto, proporcional al producto de los valores absolutos de las cargas. Es decir, si la fuerza de atracción o de repulsión es F, y los valores absolutos de las cargas q1 y q2 se tiene que:

De igual forma pudo constatar si las cargas eléctricas se mantienen constantes, la fuerza de atracción o de repulsión entre ellas es, en valor absoluto, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Es decir, si la separación entre las cargas es r, se tiene que:

Matemáticamente se puede expresar la Ley de Coulomb como:

Para poder expresar esta ecuación como igualdad se hace necesario incluir una constante k. Quedando expresada de la siguiente forma:

Si.

podemos afirma entonces que:

 

quedando k, dependiente de las unidades de la F, de igual manera q y r, dependen del medio que separe a las cargas, esta ecuación es a la que llamamos Ley de Coulomb, y puede ser enunciada como:

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas, es proporcional al producto del valor absoluto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Importante saber que:

• Si ambas cargas tienen el mismo signo, es decir, si ambas son positivas o ambas negativas, la fuerza es repulsiva. Si las dos cargas tienen signos opuestos la fuerza es atractiva.
• La ley de Coulomb es válida únicamente para objetos cargados cuyas dimensiones sean pequeñas comparadas con la distancia que las separa. Esto se expresa diciendo que dicha ley es válida para cargas puntuales, es decir, cargas eléctricas que se suponen concentradas en un punto. 
• En el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el Newton (N o New), la unidad de distancia es el metro (m), la unidad de intensidad de corriente es el Amperio (A) y la unidad de carga se llama Coulomb (C).

Un Coulomb (C) es la cantidad de carga eléctrica que pasa por la sección transversal de un conductor en un segundo, cuando por el conductor circula una corriente de Amperio.


Sobre la constante k.

• El valor numérico de la constante de proporcionalidad k debe medirse experimentalmente. 
• El valor de la constante k depende de la naturaleza del medio. 
• El valor numérico de la constante k depende de la opción de unidades. 
• Si la fuerza está en Newton, la distancia en metros (m), y la carga en coulomb (C), entonces k tiene un valor de:  

Para poder determinar la contaste k, debemos usar:  

Donde la  (epzilon-subcero), es el coeficiente de permitividad.

Entonces aclarando un poco más:

• F   Es la fuerza con que se accionan las cargas.
• k Es la constante de proporcionalidad o de Coulomb
• q1 La cantidad de la carga 1 expresadas en Coulombs
• q2 La cantidad de carga 2 expresadas en Coulombs
• r es la distancia de separación desde el centro de una carga al centro de la otra.

Fuentes:

http://www.wikipedia.comhttp://www.terna.edu.ve