La Ley de Coulomb, como hoy se le conoce en muchos países se basa en el estudio de la carga eléctrica y la electrización de los cuerpos.
Actualmente se comienza en muchas Instituciones Educativas de Bachillerato como a nivel Universitario, y las carreras afines con la parte eléctrica, mecánica y de Ingeniería.
En tal sentido, es uno de los temas que se analizan desde su postulado de la Ley, su ecuación, el alcance de sus aplicaciones en el campo de la electricidad, la electrostática, la física entre otras más.
En este artículo encontrarás, en qué consiste la Ley de Coulomb, cuáles son sus características fundamentales, ejemplos y al final del post resolveré 5 ejercicios propuestos sobre las interacciones entre cargas a partir de la «Ley de Coulomb».
Este tema mayormente se comienza a estudiar en el 5to año de Bachillerato y con este artículo deseo proporcionar un extracto que sirva para manejar tanto conceptos relacionados con cargas, estructura de la materia.
Como además, la forma posible con la que los cuerpos se pueden electrizar, la ecuación de la Ley de Coulomb y problemas que se estudian en 5to año de bachillerato.
Carga Eléctrica – Ley de Coulomb ¿Qué es?
Para entender los conceptos asociados con la carga eléctrica y la Ley de Coulomb, podemos comenzar argumentando que ambas se estudian por la rama de la física hoy conocida como la Electrostática, la cual se encarga de estudiar tanto las propiedades como las acciones entre cargas eléctricas en reposo.
Históricamente le debemos este estudio a varios personajes que comenzaron a observar las primeras desde el siglo V las interacciones eléctricas como:
Thales de Mileto, luego lo siguió estudiando William Gilbert, también Browne T. Pero, para la época del 1706 en adelante fue Benjamín Franklin quien sugirió la existencia de dos tipos de cargas, como también la existencia de una transferencia de un «fluido eléctrico» desde un cuerpo a otro.
Luego, de irse asentando las bases relacionadas con este fenómeno físico, llega Charles Agustín Coulomb quien le atribuyen la responsabilidad de haberse encargado de cuantificar las fuerzas de repulsión y atracción entre las cargas.
Conceptos fundamentales asociados a la Carga Eléctrica y la Ley de Coulomb
Gracias a nuestros precesores, tanto hombres, como mujeres que se dedicaron a crear nuevos descubrimientos y experimentos relacionados con la electrostática, que en el caso de Charles Agustín Coulomb fue el inventor de la balanza electrostática.
En efecto, es un dispositivo, que le sirvió para medir fuerzas eléctricas con mucha precisión, conduciéndolo a la ley que hoy día lleva su nombre «Ley de Coulomb».
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad física estrechamente relacionada con algunas partículas subatómicas que se manifiestan mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos.
Por lo que, lógicamente podemos resumir que la carga eléctrica es la responsable de que se produzcan interacciones electrostáticas.
Estructura de la Materia
Todo cuerpo u objeto físico que ocupe un lugar en el espacio posee materia y ésta a la vez está constituida por átomos y el átomo por partículas subatómicas tanto en el núcleo como en la corteza del átomo.
En este orden de ideas, esas partículas se les llama: electrones, protones y neutrones. En tal sentido, el modelo Atómico de Bohr responde muy bien al como se constituye el átomo y la distribución de dichas partículas subatómicas.
En el Núcleo se encuentran Juntas los Neutrones y los Protones, pero en la corteza se encuentra los electrones girando alrededor del Núcleo.
- El electrón: es una partícula subatómica que posee una carga negativa y es de menor valor en su masa con respecto al protón. El valor de la carga del electrón es 1.6 x 10 -19 C.
- El Protón: es una partícula que posee una carga eléctrica positiva y es 1836 veces más grande en su masa que el electrón.
- Los neutrones: Igualmente son partículas pero, estas se encuentran en el Núcleo del átomo y no presentan carga eléctrica y en cuanto al valor de su masa es aproximadamente igual a la del protón.
El comportamiento de la estructura de la materia se debe mayormente a dos aspectos principalmente:
1.- Los signos de los electrones, protones y sus interacciones. (Decimos que las partículas opuestas en signos se atraen y de igual signo se repelan)
2.- Gracias a las interacciones eléctricas y magnéticas.
Podemos mencionar un aspecto muy interesante que está presente en el Núcleo de los átomos y es la fuerza nuclear que allí está presente, ya que contrarrestan la repulsión eléctrica y todo gracias a los neutrones.
Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb es enunciada por Charles Agustín Coulomb, alrededor del año 1770, todo fue posible tras basarse en sus resultados experimentales basados en la balanza de torsión, llegó a la interpretación de poder cuantificar la relación que se manifiesta entre las atracciones y repulsiones eléctricas.
Básicamente en sus primeros resultados experimentales, se recabó información importante el cual estaban referidos a que si la distancia entre las cargas aumentaba el doble. La fuerza podía reducirse a la cuarta parte de la inicial; y en tal sentido si aumentaba el triple, la fuerza se reduce hasta una novena parte.
Así, fue como Agustín Coulomb fue llegando a conclusiones muy concretas, y supuso que la fuerza es proporcional al producto entre cargas, escribiendo su famosa ecuación:
F α Q1 x Q2 / r2 Donde F es la Fuerza de Atracción o repulsión entre cargas.
Q1 y Q2 son las cargas eléctricas (electrones o protones) y r es la distancia que separa a dichas cargas.
Pero, luego se introdujo, la constante K conocida como constante de proporcionalidad y este depende del medio entre las cargas. Quedando finalmente así:
F = K x Q1 x Q2 / r2
Enunciado de la Ley de Coulomb:
«Dos cargas eléctricas puntuales se atraen o se repelen con una fuerza directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.» Charles A. Coulomb
Un coulomb como unidad suele usarse en términos de la corriente eléctrica que recorre una sección transversal de un alambre conductor. La unidad de corriente eléctrica empleada es el Ampere.
Por tal motivo, el coulomb lo podemos definir de la siguiente forma:
Un coulomb es la cantidad de carga que pasa a través de la sección transversal de un alambre en un segundo cuando por el circula la corriente de un ampere.
A continuación: La ecuación, significado de cada símbolo y sus respectivas unidades.
Amigo estudiante, en el mundo de la electrostática, es costumbre hacer cálculos con cargas mucho menores que el coulomb, y en este caso suele emplearse lo que hoy reconocemos como los submúltiplos:
1 Mili coulomb = 10-3 C
1 Micro coulomb = 10-6 C
1 Nano coulomb = 10-9 C
1 Pico coulomb = 10-12 C
4 Propiedades de las cargas eléctricas:
Estas propiedades surgen como conclusiones basadas en los estudios experimentales de Charles Agustín Coulomb, y hasta nuestras fechas se siguen empleando como análisis físico y del comportamiento de las cargas eléctricas, a continuación 4 propiedades:
- Existen dos clases de cargas eléctricas con la propiedad de que cargas diferentes se atraen y cargas iguales se repelen.
- La fuerza eléctrica entre cargas varían con el inverso del cuadrado de la distancia que las separa.
- La carga total se conserva en un sistema aislado y debe permanecer constante.
- La carga está cuantizada.
Representación gráfica de las interacciones entre cargas eléctricas
Las representaciones gráficas es el recurso visual que nos ayuda a entender como se representan las interacciones entre cargas eléctricas tanto positivas como negativas.
A continuación 4 casos más comunes en física:
- Caso 1: Cuando las Cargas tienen el mismo signo
Se consideran 2 cargas eléctricas puntuales positivas (Fig. a) y 2 cargas eléctricas negativas (Fig. b). En tal sentido, como se muestra en las figuras. Tanto en las cargas positivas como en las negativas vemos como aparece una flecha o vector apuntando en dirección horizontal tanto a la izquierda como a la derecha.
Eso quiere decir, que en ambos casos las cargas interactúan repeliéndose. y las flechas nos ayuda a comprender que la fuerza eléctrica debido a su interacción, se generan en ambas cargas pero, en dirección opuesta.
- Caso 2: Cuando las cargas tienen diferentes signos
Se consideran 2 cargas eléctricas puntuales, una es positiva y la otra negativa, tal como se aprecia en la (Fig. C). Tanto en la carga positiva como en la negativa, vemos como aparece una flecha o vector apuntando en dirección horizontal; pero, esta vez hacia adentro como buscando cada carga a la otra.
Eso quiere decir, que en ambos casos las cargas interactúan atrayéndose. Donde las flechas nos ayuda a comprender que la fuerza eléctrica debido a su interacción.
- Caso 3: Cuando 2 cargas actúan sobre una carga puntual
Consideremos 3 cargas eléctricas A, B, C. tal como, te muestro en la (Fig. d). Allí, voy a graficar la fuerza con que las cargas A y C actúan sobre B.
Como apreciamos en la imagen, las cargas A y C actúan sobre B y en ella se acciona la Fuerza Resultante Fr, y esta se calcula aplicando pitágoras. Luego en la llave, aparece dos ecuaciones sobre como calcular las Fuerzas con que A atrae a B o igual a decir Fab y la ecuación de Fcb, que significa que la carga C atrae hacia si misma a la carga B.
Es el momento de pasar a la aplicación de esta ley en algunos ejercicios propuestos.
5 Ejercicios de la Ley de Coulomb resueltos
A continuación resolveré 5 ejercicios relacionados con la Ley de Coulomb, que te pueden ser de utilidad para estudiar o repasar:
Como sacar datos, como colocar los vectores de las respectivas fuerzas eléctricas producidas por las cargas al interactuar con otras, además de ello, el uso de las fórmulas y despejes correspondientes.
¡Vayamos al grano y estudiemos juntos!
Espero, te este contenido sea se gran utilidad en tu aprendizaje. Pero, recuerda que en nuestro sitio web podrás hallar más contenido educativo de valor. Te invito a que sigas en la búsqueda de más información en las categorías de Educación e Investigación.