La Ley de Coulomb describe cómo las fuerzas eléctricas actúan entre dos objetos cargados.
Esta ley se considera de gran importancia en la física, específicamente en el campo de la electrostática, porque permite entender el comportamiento de los sistemas cargados en equilibrio. De aquí que también se le denomine «Ley de la electroestática».
Este hallazgo fue promulgado por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb y su enunciado es el siguiente:
«La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa».
La fuerza actúa a lo largo de la línea que une las cargas y obedece al principio de acción y reacción de las cargas de las partículas.
Es importante mencionar, que esta ley es aplicable a cargas puntuales cuando se encuentran en reposo, debido a que el movimiento produce campos magnéticos alterando las fuerzas de las cargas.
La fórmula matemática de la Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb es una fórmula que cambió la comprensión de cómo se comportan las cargas eléctricas.
Esta ecuación se expresa de la forma siguiente:
F=(k*Q1*Q2)/d2
Donde:
En la figura se tienen dos cargas (Q1) y (Q2), separadas por una distancia (d). La fuerza electrostática entre las dos cargas viene dada por (F) que es directamente proporcional a (Q1) y (Q2) e inversa al cuadrado de (d).
El símbolo k es una constante de proporcionalidad cuyo valor depende del medio en el que se sumergen los objetos cargados. Para el caso que estén en el aire k=9×109Nm2/C2.
La fuerza eléctrica entre las cargas disminuye a medida que aumenta la distancia, siguiendo una relación inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Esto significa que a medida que las cargas se alejan entre sí, la fuerza eléctrica disminuye rápidamente.
De igual manera, la fuerza actúa a lo largo de la línea que une las cargas y obedece al principio de acción y reacción al cual se refiere la teoría de las cargas.
Teoría de las Cargas y la Ley de Coulomb
La teoría de las cargas aplicada a la ley de Coulomb intenta comprender y explicar el comportamiento de las cargas eléctricas utilizando los principios de esta ley.
La teoría expone que existen dos tipos de cargas eléctricas:
- Las cargas positivas, que se consideran como déficits de electrones en un átomo o partícula.
- Las cargas negativas, que representan un exceso de electrones.
Estas cantidades a menudo se expresan como valores “+” o “-“, siendo el signo simplemente representativo.
Dependiendo del tipo de carga (+) o (-) la fuerza eléctrica entre ellas puede ser atractiva o repulsiva, ocurriendo que:
- Las cargas se repelen o empujan cuando ambas tienen el mismo signo. Las fuerzas (F21) es la fuerza de repulsión que ejerce Q1 sobre Q2, mientras que (F12) es la fuerza de empuje que ejerce Q2 sobre Q1.
- Cuando las cargas tienen signos diferentes la fuerza será de atracción. Para este caso, (F21) es la fuerza de atracción ejercida por Q1 sobre Q2, de manera similar; (F12) es la fuerza de atracción que realiza Q2 sobre Q1.
Ahora bien, estas fuerzas de atracción o repulsión se encuentran a través de la Ley de Coulomb.
Ejemplo de aplicación de la Ley de Coulomb
Se tienen dos partículas cargadas en el vacío, una con una carga positiva de +4μC (microculombios) y la otra con una carga negativa de -2μC. La distancia entre ambas partículas es de 3 metros. Se quiere calcular la magnitud de la fuerza eléctrica entre ellas.
Solución: Para resolver este ejemplo, se utiliza la fórmula de la Ley de Coulomb:
F=(k*Q1*Q2)/d2
Se debe recordar que k es la constante de Coulomb, con un valor de aproximadamente 9×109Nm2/C2
Como se menciona que se tiene una carga negativa y otra positiva, esto significa que existe una fuerza de atracción. Los signos de las cargas solo son representativos.
Las cargas están dadas en microculombios y 1 μC = 10-6
Q1= 4 μC = 4×10-6
Q2= 2 μC = 2×10-6
Sustituyendo los valores en la fórmula, se obtiene:
Por lo tanto, la magnitud de la fuerza eléctrica entre estas dos cargas es de 0.008 Newtons.