Electricidad: La ley de Coulomb

En nuestra vida cotidiana sabemos que al frotar dos materiales, como una barra de plástico con lana, después esa barra de plástico atraerá bolas de papel. Las cargas eléctricas están presentes continuamente en nuestra vida, y viendo su comportamiento podemos llegar a la conclusión que hay dos tipos de cargas, la negativa y la positiva.  Las cargas iguales se repelen y las cargas distintas se atraen.

Las cargas eléctricas no se crean, sino que consisten en transferir algo de un cuerpo a otro, generando un exceso en uno y una deficiencia en otro. Ese algo que se transfiere de un cuerpo a otro son los electrones.

Cada material está formado por una estructura de átomos. Cada átomo tiene tres clases de partículas: el electrón (cargado negativamente), el protón (cargado positivamente), el neutrón ( de carácter neutro). La carga del electrón y del protón son iguales, por lo que si no se modifica (excita o elimina algún electrón) el átomo es neutro. Los protones y los neutrones tienen una masa aproximadamente igual. La masa del protón es unas 1836 veces la del electrón.

Atomo

Si por ejemplo al frotar dos materiales se extraen o se añaden uno o más electrones, la estructura formada por átomos dónde se extraen los electrones y por tanto cargada positivamente se denomina ion positivo. Y la estructura dónde se añaden los electrones y por tanto cargada negativamente se denomina ion negativo. El proceso de perder o ganar electrones se denomina ionización.

Hay materiales que permiten el movimiento de carga eléctrica de una parte a otra, estos serían los materiales conductores como el cobre y otros que no lo permiten, los aisladores como los materiales plásticos. En general los metales son buenos conductores porque pueden desprenderse fácilmente de algunos de sus electrones y pueden moverse libremente por los distintos átomos del metal, al igual que una nube de gas puede introducirse por los distintos agujeros de una estructura.

La interacción eléctrica entre dos partículas cargadas se describe en función de las fuerzas que ejercen una sobre otra. Coulomb estudió esta fuerza y descubrió que depende de la cantidad de carga de cada cuerpo y de la distancia entre ellos, concluyendo en sus experimentos que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto de sus cargas (q) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r)  que las separa.

Ley Coulomb

Dónde k es una constante cuyo valor depende de las unidades en que se expresen la fuerza (F), las cargas (q) y las distancias (r). Utilizando unidades del sistema internacional (SI):

Constante Ley Coulomb

Constante 2 Ley Coulomb

Por ejemplo, tres cargas ( q1, q2 y q3) se encuentran en un mismo  eje de las x:

  • Primero nos encontramos la carga q3= 2 * 10^-9 C.
  • Después la carga está la carga q1= 3 * 10^-9 C a 4 cm de q3.
  • Y finalmente la carga q2= -4* 10^-9 C que está a 6 cm de q3.

Al estar en el mismo eje, la fuerza sobre q3 es la suma vectorial debida a las fuerza generadas individualmente por q1 (positiva, por lo tan repele q3),  y q2( negativa, por tanto atrae q3).

La fuerza de repulsión de q1 sobre q3 sería:

Ejemplo 1

La fuerza de atracción de q2 sobre q3 sería:

Ejemplo 2

La fuerza resultante sobre q3 al estar las tres en el mismo eje x sería:

Resultado

Esto implicaría que la carga q3 se separaría con respecto a q1 y q2 en el eje de las x, con una fuerza resultante de 1,37*10^-4 N.

Gracias a estos conocimientos básicos sobre la Ley de Coulomb podemos empezar a entender eventos cotidianos como la formación de los rayos. Generalmente los rayos son producidos por una diferencia de cargas entre las positivas en tierra y las negativas en las nubes, cuando esta diferencia de cargas llega a un límite se genera un movimiento de cargas creando lo que conocemos como los rayos.

¿ En concreto te gustaría entender algún evento cotidiano relacionado con la electricidad? No dudes en pedirme ayuda para entenderlo en los comentarios.

Te dejo un magnífico vídeo dónde muestra 9 experimentos caseros muy interesantes sobre los efectos de las cargas eléctricas:

 

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