Ley de cargas

Fuerza electrostática

La electrostática, como ciencia cuantitativa, está constituida por una serie de leyes que explican el comportamiento de las fuerzas eléctricas entre cargas puntuales. Una de las leyes eléctricas más destacadas que constituye esta ciencia es la conocida Ley de Coulomb.

Representación gráfica de la fuerza de atracción entre dos cargas.

Historia de la Ley de Coulomb

La Ley de Coulomb fue descubierta por Priestley en 1766 y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue no fue hasta 1785 que está ley fue sometida a ensayos experimentales directos por el físico e ingeniero francés Charles Augustin de Coulomb, conocido por enunciar leyes importantes para la física como las leyes sobre el rozamiento.

Coulomb presentó a la Academia de Ciencias de París una serie experimentos realizados sobre cuerpos cargados. Uno de los experimentos principales fue el desarrollo la balanza de torsión, con la que determinó las propiedades de la fuerza electrostática.

Coulomb colocó en la barra de la balanza una pequeña esfera cargada a diferentes distancias, luego posicionó otra esfera también cargada para medir la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.

Las conclusiones de este experimento se pueden resumir en los siguientes puntos:

• Los cuerpos cargados sufren una fuerza de atracción o repulsión al aproximarse.
• El valor de dicha fuerza es proporcional al producto del valor de sus cargas.
• La fuerza es de atracción si las cargas son de signo opuesto y de repulsión si son del mismo signo.
• La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Estas conclusiones constituyen lo que se conoce hoy en día como la ley de Coulomb.

Enunciado de la Ley de Coulomb

“La fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las 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".

Donde:

• F es la fuerza eléctrica de atracción o repulsión. En el Sistema Internacional (S.I) se mide en Newtons (N).
• q₁ y q₂ son los valores de las dos cargas puntuales. En el Sistema Internacional (S.I) se miden en Coulombios (C).
• d es el valor de la distancia que las separa. En el Sistema Internacional (S.I) se mide en metros (m).
• K es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Coulomb. El valor de K es aproximadamente 9 . 10⁹N . m² / c² utilizando unidades en el Sistema Internacional (S.I).

Representación gráfica de la Ley de Coulomb.

Se deben resaltar los siguientes puntos:

• Cuando se habla de la fuerza entre cargas eléctricas siempre se supone que éstas se encuentran en reposo.
• Las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción), es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección.
• La Ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.

Problema 1

Una carga de 3 . 10^-6C se encuentra a 2 m de una carga de -8 . 10^-6C, ¿cuál es la magnitud de la fuerza de atracción entre las cargas?

Solución: 

Se tienen todos los datos que se necesitan para solucionar el ejercicio.

Aplicando la fórmula de la Ley de Coulomb:

Se sustituye:

Se multiplicaron las cargas eléctricas, recordando quelos exponentes se suman. Se elevó al cuadrado la distancia que separa las cargas.

Se multiplica para obtener:

Se observa que hay un signo negativo, como se pide el valor de la magnitud de la fuerza se toma la misma como un valor absoluto, obteniendo como resultado final:

Para practicar

1. Dos cargas eléctricas están separadas por una distancia de 0,8 cm y sus valores son: q₁ = 0,003 C y q₂ = 0,0015 C. ¿Cuál es el valor de la fuerza entre las cargas?

R = 6,38 . 10⁸N

2. ¿Qué distancia separa a dos cargas eléctricas q₁ = 200 C y q₂ = 500 C, sabiendo que se repelen con una fuerza de 2,25 . 10¹⁶ N?

R = 0,2 m

3. Dos cargas iguales se interactúan con una fuerza de 1,44 . 10⁹ N cuando están separadas por 0,1 m. ¿Cuál es el valor de las cargas?

R = 0,04 C

4. Una carga de 0,0004 C interactúa con otra con una fuerza de 500 N cuando están separadas por 0,2 m. Calcular el valor de la otra carga.

R = 0,0000055 C