Ley de Coulomb

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb es una de las leyes principales de la electrostática, rama de la física que estudia la aplicación de las cargas eléctricas de un cuerpo. Hace referencia a la fuerza de atracción o repulsión que poseen dos elementos en función de sus cargas eléctricas, lo que permite medir las interacciones eléctricas entre dos o más cuerpos, conocida como Fuerza eléctrica o electroestática.

Fue descrita por Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), un físico e ingeniero francés que estudió la relación entre las cargas eléctricas y la fuerza de interacción que se origina entre ellas. Para ello, aplicó distintos experimentos y fue la balanza de torsión la que le permitió determinar las propiedades de la fuerza electrostática. De esta manera, propuso un enunciado que relaciona las fuerzas de las cargas y el espacio que las separa.

Enunciado

El enunciado de la Ley de Coulomb, descrita en 1785, se expresa de la siguiente manera:

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con las que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.

Este manifiesto deja claro que los fenómenos eléctricos que experimenta un cuerpo están relacionados directamente con su estructura atómica. Todos los elementos se encuentran formados por átomos, los cuales poseen protones para carga positiva y electrones para carga negativa.

Ley de Coulomb enunciado

Entonces, según Coulomb, los cuerpos que poseen cargas del mismo signo desarrollan una fuerza de repulsión. Por el contrario, si tienen cargas distintas, desarrollan una fuerza de atracción. Sin embargo, la magnitud de esta fuerza va a depender de la distancia que haya entre los cuerpos.

Fórmula y unidades

La ley de Coulomb se formula o expresa de la siguiente manera:

Fórmula

Se aplica en contextos estacionarios, es decir, cuando el movimiento de las cargas es nulo o muy reducido y se encuentra en una dirección rectilínea. En este caso, la fórmula se explica de la siguiente manera:

  • F es igual a la magnitud de la fuerza entre dos cargas puntuales. Según el Sistema de Unidades Internacionales SI, esta se mide en Newton.
  • Q1 y q2 son las cargas eléctricas y se miden en Coulomb “C” según el SI.
  • La letra r2 se refiere a la distancia que, según el SI, se mide en metros. En algunas bibliografías se puede conseguir la fórmula con una “d” en vez de “r”.
  • K es una constante de proporcionalidad o constante de Coulomb que relaciona variables eléctricas y en el vacío es igual a = 8,98755 × 109 N ∙ m2 / C2 cuyo valor se aproxima y en la mayoría de los casos se emplea 9 x 109 Nm2 / C2. Para el Sistema Internacional de Unidades se expresa así: 1/4 πE Nm2/C2.

Expresión vectorial

Si se incluyen los signos de las cargas, es posible que el valor de la fuerza pueda venir con un signo. Por ejemplo, cuando la fuerza sea de repulsión, el signo es positivo y si es de atracción, el signo será negativo. Como en física todas las magnitudes deben ser positivas, cuando se habla de que dos cargas se atraen con una fuerza de 3N, en realidad la fuerza es -3N.

En este caso, cuando dos o más cargas ejercen paralelamente fuerzas sobre otra carga, la fuerza sobre esta es la suma vectorial de las magnitudes ejercidas de forma individual por cada carga. Entonces, con magnitudes vectoriales, la Ley de Coulomb se expresa así:

Expresión vectorial

Ahora, se añade el valor u, que es un vector unitario, que mide la magnitud que va de una carga a otra, siendo su dirección desde la carga que produce la fuerza hasta la que la experimenta. Si se busca determinar la fuerza que va de la carga 1 a la carga 2, y poseen el mismo signo, r12 es el vector de separación.

Expresión vectorial 2

Ejemplo de aplicación

Por ejemplo, si en física se requiere determinar la fuerza de atracción entre dos cargas, donde hay una de 3×10^-6 C que se encuentra a 2 m de distancia de otra carga de -8×10^-6 C, para la solución es necesario tomar en cuenta:

Ejemplo de aplicación

Se deben aislar los datos para facilitar la comprensión:

  • Q1= 3×10^-6.
  • Q2= -8×10^-6 C.
  • R o d: 2 m.
  • K: 9 x 109 Nm2 / C2.

Luego, se sustituye la fórmula, se multiplican las cargas eléctricas y los exponentes se suman. La distancia se eleva al cuadrado y queda así:

Ejemplo de aplicación 2

Para continuar, se resuelve la operación con la constante de Coulomb, multiplicando los valores para obtener el valor de F. El procedimiento queda de la siguiente manera:

Ejemplo de aplicación 3

El resultado tiene un signo negativo, pero como se pidió determinar la magnitud de la fuerza que en física debe ser positiva, se toma la fuerza como un valor absoluto. Por lo que el resultado en este caso es F=0.054N.

En la vida diaria, la aplicación de esta ley se puede observar cuando se utilizan imanes, pues hay una fuerza que se puede calcular si así se quisiera. También, cuando se forman rayos, al pasar la corriente por el cuerpo o al electrizar un objeto.

Descubrimiento

El descubrimiento de esta ley se atribuye a Charles Augustin de Coulomb un matemático, físico e ingeniero francés sobresaliente por su investigación en el campo de la matemática. En 1777 diseñó una balanza de torsión que le permitió medir la fuerza de atracción magnética y eléctrica, estableciendo las bases para la electrostática.

Descubrimiento

También, se apoyó en los descubrimientos de Joseph Priestley para establecer el principio que regula la interacción entre las cargas eléctricas. En su honor, la unidad para referirse a electricidad es una C de Coulomb.

Referencias

  • Ley de Coulomb. Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb
  • Resumen Ley de Coulomb: https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10587/resumen_ley_de_coulomb.pdf?sequence=1.
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