La ley de Coulomb es una ley que define la fuerza ejercida por un campo eléctrico sobre una carga eléctrica. Esta es la fuerza que actúa entre objetos cargados eléctricamente, y está definida operativamente por el valor de la interacción entre dos cargas eléctricas puntuales estacionarias en el vacío.
La ley de Coulomb establece: “La fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa entre ellas.”
Esta fuerza se llama fuerza de Coulomb y fue descrita por En física, la fuerza de Coulomb, descrita por Charles-Augustin de Coulomb.
Charles-Augustin de Coulomb inventó la balanza de torsión para medir la atracción magnética y eléctrica. Este instrumento es capaz de medir el par resultante de la aplicación de una o más fuerzas en sus brazos.
Definición de la ley de Coulomb
La ley de Coulomb establece que la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta fuerza es atractiva si las cargas son de signo opuesto y repulsiva si son del mismo signo.
La ley describe cómo las cargas eléctricas ejercen una influencia mutua a través del espacio, siendo fundamental en la teoría electromagnética.
Fórmula matemática
La fuerza de Coulomb se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
Donde:
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F es la fuerza de Coulomb expresada en Newtons (N).
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q1 es la primera carga puntual expresada en Coulombs (C).
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q2 es la segunda carga puntual (C).
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r es la distancia entre dos cargas puntuales expresada en metros (m).
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kC es una constante electrostática cuyo valor es aproximadamente 8,988 × 109 N·m 2·C-2
Todas las variables descritas en esta definición corresponden al sistema internacional de unidades.
Si el signo de la fuerza es positivo significa que la fuerza es de repulsión. Si por lo contrario es negativo, la fuerza es de atracción.
De la fórmula podemos extraer varias conclusiones que la fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas q1 y q2
Ejemplos de la ley de Coulomb
La ley de Coulomb se aplica siempre que intervienen cargas eléctricas y campos eléctricos. Algunos ejemplos en la vida cotidiana son:
- Electroimanes: Un electroimán genera una fuerza magnética cuando circula una corriente eléctrica a través de un alambre enrollado en torno a un núcleo ferromagnético. La interacción entre las cargas eléctricas en movimiento dentro del conductor y el campo magnético resultante sigue los principios de la ley de Coulomb, ya que las cargas dentro del conductor se atraen o repelen según sus signos y la distancia relativa entre ellas.
Motores eléctricos: En los motores eléctricos, la fuerza que impulsa el movimiento proviene de la interacción entre cargas eléctricas dentro de los campos magnéticos. Esta interacción se puede entender a través de la ley de Coulomb, ya que las cargas dentro de las bobinas del motor interactúan con otras cargas en el rotor y el estator, generando un par motor que provoca el movimiento.- Cargas electrostáticas en un globo: Si frotamos un globo contra un jersey de lana, algunos electrones se transfieren del jersey al globo, cargándolo negativamente. Esta acumulación de carga provoca que el globo ejerza una fuerza de atracción sobre objetos con carga opuesta, como los átomos del techo. Debido a la ley de Coulomb, el exceso de electrones en el globo genera una atracción hacia los protones de los átomos en el techo, lo que permite que el globo se adhiera temporalmente a la superficie. Este fenómeno es un ejemplo de cómo las fuerzas electrostáticas actúan en el mundo macroscópico.
- Chispas eléctricas: En un día seco, cuando una persona camina sobre una alfombra y luego toca una superficie metálica, puede experimentar una pequeña descarga eléctrica. Esto sucede porque, al caminar, se acumulan cargas de diferentes signos en la ropa o en el cuerpo, creando un desequilibrio. La ley de Coulomb explica la acumulación de cargas y la posterior liberación de energía en forma de una chispa cuando se restablece el equilibrio eléctrico entre el cuerpo y el objeto metálico.
- Rayo: Durante una tormenta eléctrica, se acumulan cargas de diferentes signos en las nubes. Cuando la diferencia de carga es lo suficientemente grande, se produce una descarga eléctrica en forma de rayo. Este fenómeno es una manifestación de la ley de Coulomb, ya que las cargas opuestas entre la nube y el suelo se atraen con una gran fuerza.
- Carga electrostática en la ropa: Cuando frotamos un suéter de lana o sintético contra nuestra ropa, los electrones se transfieren, creando una carga electrostática. Esto a veces causa que la ropa se pegue a la piel o que haya pequeñas chispas cuando tocamos una manija metálica. Esto ocurre porque las cargas eléctricas están interactuando de acuerdo con la ley de Coulomb.
- Interacción entre partículas de polvo y superficies cargadas: En lugares secos o cuando frotamos ciertos materiales, puede haber acumulación de cargas estáticas. Esto hace que pequeñas partículas de polvo se adhieran a superficies cargadas, como la pantalla de un teléfono o una pantalla de televisión, mostrando cómo las cargas opuestas atraen las partículas cargadas.
- Electrodomésticos y pantallas táctiles: Los dispositivos electrónicos como los teléfonos móviles y las pantallas táctiles funcionan gracias a la interacción de cargas eléctricas. Por ejemplo, al tocar una pantalla capacitiva, los electrones de tu dedo interactúan con los sensores del dispositivo, lo que genera una respuesta en la pantalla, todo esto regido por la ley de Coulomb.
Ejercicio sobre la aplicación de la ley de Coulomb
Determine la fuerza eléctrica entre dos esferas cargadas de 1 μC cada una, colocadas a una distancia de 1.0 cm.
Realización del ejercicio
Se colocan dos cargas eléctricas puntuales a una distancia de 1 cm entre sí.
Queremos determinar la fuerza eléctrica que se establece entre las dos cargas eléctricas, sabiendo que cada carga tiene una intensidad igual a 1 μC.
Aplicamos la ley de Coulomb directamente :
En el cual:
Q1 = Q2 = Q = 1 μC = 10-6 C.
r = 1,0 cm = 10-2 m
Al reemplazar a la fórmula tenemos:
F= 8,988 · 109 · (10-6 · 10-6 ) / 10-2 = 89,88 N