Carga Eléctrica y Ley de Coulomb

Carga eléctrica y ley de Coulomb
Cuando escuchamos la palabra electricidad nuestra mente nos lleva a pensar en objetividad
macroscópica (un motor, una computadora, un bombillo etc.). Esto no quiere decir que nuestra mente
sea aguda en cuanto a la naturaleza nos refiramos, puesto que en ese ambiente nos hemos educado
hasta el momento. Los conceptos de fuerza elástica, fuerza normal, fuerza de fricción y otras de
contacto eran aplicados en tal sentido. Ahora nos daremos a la tarea de estudiar el origen de tales
fuerzas y para ello iniciaremos con la definición de carga eléctrica.
La materia la entendemos como todo aquello que tiene masa y que, por tanto, ocupa un volumen. Las
investigaciones de muchos científicos a lo largo de la historia ha sido la herramienta para poder
descubrir su constitución y con ello predecir muchos de sus comportamientos. Ahora en día sabemos
que la materia está formada por átomos, que a su vez, están constituidos por partículas subatómicas:
los electrones, protones, neutrones entre otras.
Todos los fenómenos eléctricos que usted conoce son gracias a una de estas tres partículas, los
electrones. Los electrones se encuentran girando alrededor del núcleo de los átomos cuyo movimiento
describe una órbita circular o elíptica y debido a su ligereza pueden escapar del átomo dejándolo con
un déficits de electrones, naturalmente cuando un átomo o cuerpo pierde electrones se dice que está
cargado positivamente. Los electrones arrancados de un átomo o cuerpo y alojados en otro provocan
cargas negativas debido a un exceso de electrones en el cuerpo que adquirido los electrones. Por tanto,
para adquirir carga eléctrica neta, los cuerpos tienen que ganar o perder electrones.
Esto es:
Si un cuerpo está cargado positivamente es porque tiene un exceso de electrones.

Si un cuerpo está cargado negativamente es porque tiene un déficits de electrones
Experimentalmente se ha descubierto una característica peculiar de las cargas eléctricas, las cargas
eléctricas del mismo signo se repelen, mientas que las cargas eléctricas con signo diferente se
atraen.
El científico estadounidense Benjamín Franklin basándose en los postulados de newton argumento
que, siempre que se produce cierta cantidad de carga en un objeto, se produce una cantidad igual del
tipo opuesto de carga en otro objeto y que las cargas positivas y negativas se tratan algebraicamente,
siendo que, durante cualquier proceso la carga neta en calidad de carga producida es igual a cero.
Esto está postulado según la ley de conservación de carga eléctrica:
La cantidad neta de carga eléctrica producida en cualquier proceso es cero, no se puede crear
ni destruir una carga eléctrica neta.
Quizá usted en más de una ocasión ha experimentado efectos electrostáticos, cuando peina su cabello
en un día seco este se eriza y vuelve inpeinable, al vestirnos los bellos de brazos se erizan, al abrir
una puerta metálica sufrimos una pequeña descarga eléctrica. En cualquiera de los casos, es el
resultado de una adquisición de carga por el efecto de frotamiento.
Aislantes conductores y semiconductores.
Desde el punto de vista atómico se dice que un material es aislante si sus electrones están ligados
muy fuertemente al núcleo impidiendo el paso de cargas eléctricas. Algunos ejemplos de materiales
aislantes son el vidrio, la cerámica el plástico, el papel, la madera, entre otros.
Por otro lado, en los conductores algunos de los electrones están ligados muy débilmente al núcleo
pudiendo moverse en forma más o menos libre dentro del material (aunque no pueden abandonar el
objeto fácilmente) permitiendo el paso de cargas eléctricas sobre él. Ejemplos de conductores
incluyen metales tales como: hierro, cobre, acero, latón, bronce, Oro, plata, aluminio, etc.
Los semiconductores comparten características de los aislantes y los conductores, su comportamiento
dependerá de las características del contexto en el cual se encuentren. Entre los semiconductores
tenemos el silicio, germanio y azufre.
Carga por inducción.
En el caso anterior hemos aprendido como los cuerpos pueden adquirir una carga neta distinta de cero
con solo el hecho de frotarlos. Otra manera de cargar un cuerpo es mediante la inducción de cargas
eléctricas. Supongamos que usted carga positivamente un objeto y lo acerca a un objeto de metal sin
carga. Si ambos objetos se tocan, los electrones libres en el objeto neutro son atraídos por el objeto
positivo y algunos pasarán hacia él. Puesto que el segundo objeto, que era originalmente neutro, ahora
carece de algunos de sus electrones negativos, y podremos afirmar que tendrá una carga neta positiva.
Ahora acerquemos un cuerpo con caga neta negativa a un metal sin carga, observe, que los electrones
son repelidos por el cuerpo negativo, de esta manera podemos decir que el objeto presenta una
polarización de cargas. Si colocamos un puente eléctrico del extremo polarizado negativamente los
electrones podrían viajar a la tierra de tal manera que al quitar el puente el objeto adquiere carga neta
diferente de cero sin la necesidad de un contacto con el cuerpo negativo.
Este análisis nos puede parecer trivial por el hecho de tratarse de materiales conductores donde
sabemos que los electrones pueden moverse libremente dentro de un material conductor. La gran
incógnita resulta cuando pensamos en ¿cómo es posible que un globo pueda atraer trozos finos de
papel si se trata de un aislante donde los electrones están muy ligados a los átomos y su movilidad
es casi nula? (Pregunta de tarea)
Ley de coulomb.
Ahora que ya hemos visto que las cargas electrostáticas presentan interacción (Atraen o
repelen) nos encargaremos de determinar la magnitud de esta interacción.
El físico francés charles coulomb en el año 1780 estableció la ley de interacción
electrostática, la cual nos dice que la fuerza que ejerce un pequeño objeto cargado sobre un
segundo objeto pequeño cargado es directamente proporcional al producto de la magnitud
de la carga en un objeto, 𝑄1 , por la magnitud de la carga en el segundo objeto, 𝑄2 , e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos, esto es:
𝑄1 𝑄2⁄
𝐹=𝐾 𝑟2
Donde:
𝐹 = fuerza de interacción eléctrica [𝑁]
2
K = constante de proporcionalidad [8.99 𝑥109 𝑁 𝑚 ⁄𝐶 2 ] ó [1⁄4𝜋𝜀 ]
0
2
𝜀0 = permeabilidad del espacio vacío [8.85𝑥10−12 𝐶 ⁄ ]
𝑁𝑚 2
𝑄 = carga eléctrica [𝐶]
𝑟 = distancia entre cargas [𝑚]
La dirección de la fuerza electrostática que una carga puntual ejerce sobre otra siempre es a lo largo
de la línea que une las cargas; el sentido de la fuerza depende de si las cargas tienen el mismo signo,
como en a) y en b), o de si tienen signos contrarios como en c).
Sabemos que los objetos con carga positiva tienen una carencia de electrones, mientras que en los
objetos cargados negativamente hay un exceso de electrones. Se ha determinado que la carga del
electrón posee una magnitud de 1.602𝑥10−19 𝐶, que es negativa. Ésta es la carga más pequeña
encontrada en la naturaleza, a la cual, como es fundamental, se le da el símbolo 𝑒, y a menudo se le
designa como la carga elemental:
𝑒 = 1.602𝑥10−19 𝐶
Observe que e se define como un número positivo, así que la carga del electrón es – 𝑒
Puesto que un objeto no puede ganar o perder una fracción de un electrón, la carga neta de cualquier
objeto debe ser un múltiplo entero de tal carga. Se dice entonces que la carga eléctrica está cuantizada
(existe sólo en cantidades discretas: 1 𝑒, 2 𝑒 , 3 𝑒 , etcétera). Sin embargo, como 𝑒 es tan pequeña,
normalmente no notamos esta cuantización en cargas macroscópicas (1 𝜇𝐶 requiere cerca de 1013
electrones), lo cual aparece entonces como un continuo.
La ley de Coulomb describe la fuerza entre dos cargas cuando ambas están en reposo. Cuando las
cargas están en movimiento, aparecen fuerzas adicionales, las cuales analizaremos más adelante. Por
el momento nos ocuparemos sólo de cargas en reposo, cuyo estudio corre a cargo de la electrostática,
mientras que la ley de Coulomb proporciona la fuerza electrostática.
Cuando usamos la ley de Coulomb, por lo general ignoramos los signos de las cargas y determinamos
la dirección y el sentido de las fuerzas con base en si éstas son de atracción o de repulsión.
Preguntas referentes a la temática abordada.
 Considere que dos esferas pequeñas idénticas tienen la misma carga eléctrica. Si la carga
eléctrica en cada una de ellas se duplica y la separación entre ellas también se duplica, ¿Cómo
será la fuerza que cada una ejerce sobre la otra será?
 ¿Por qué algunas veces al sacar una camisa o una blusa de la secadora de ropa se adhieren a
su cuerpo?
 ¿Podría usted distinguir la diferencia entre carga neta y carga libre en un conductor?
Problemas de discusión.
 ¿Cuál es la magnitud de la fuerza eléctrica de atracción entre un núcleo de hierro (𝑄 = +20𝑒)
y su electrón más interno si la distancia entre ellos es de 2.5𝑥10 −12 𝑚?
 ¿Cuántos electrones se necesitan para formar una carga de 25𝑚𝐶?
 Dos partículas de polvo cargadas ejercen una fuerza mutua de 4.2𝑥10 −2 𝑁. ¿Cuál será la
fuerza si se mueven de forma que queden separadas sólo 1/6 de la distancia inicial?

Carga Eléctrica y Ley de Coulomb

Cargado por

Copyright:

Formatos disponibles

Carga Eléctrica y Ley de Coulomb

Cargado por

Información del documento

Descripción original:

Derechos de autor

Formatos disponibles

Compartir este documento

Compartir o incrustar documentos

Opciones para compartir

¿Le pareció útil este documento?

¿Este contenido es inapropiado?

Copyright:

Formatos disponibles

Carga Eléctrica y Ley de Coulomb

Cargado por

Copyright:

Formatos disponibles

Carga eléctrica y ley de Coulomb

Si un cuerpo está cargado positivamente es porque tiene un exceso de electrones.

𝐹 = fuerza de interacción eléctrica [𝑁]

También podría gustarte