LEY DE COULOMB

 

 

 

 

Coulomb (1736-1806)

 

El físico e ingeniero francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) fue el primero en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas investigaciones sobre magnetismo, rozamiento y electricidad. Sus investigaciones científicas están recogidas en siete memorias, en las que expone teóricamente los fundamentos del magnetismo y de la electrostática. Coulomb inventó en 1777 la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre sí dos cargas eléctricas y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, pudo establecer la expresión matemática de la ley que calcula la fuerza eléctrica entre dos cargas.

 

La balanza de torsión (a la derecha) consta de una barra que cuelga de un hilo de un material elástico como fibra. Si la barra gira el hilo se tuerce y la fuerza de recuperación elástica tiende a que recupere su posición original. Para verificar la ley de Coulomb con este dispositivo, colocamos una esferita cargada en uno de los extremos de la barra (a) y le acercamos otra con carga del mismo signo (b). Las esferitas se ejercen una fuerza de repulsión eléctrica y tuercen el hilo. En estas condiciones la fuerza de torsión que el alambre ejerce sobre la barra es igual a la fuerza de repulsión eléctrica entre las cargas.

Acerca de los factores que determinan el valor de dicha fuerza, es lógico suponer que deberá ser mayor cuanto mayor sea la carga eléctrica acumulada por cada una de las esferas y menor cuanto mayor sea la distancia entre ellas. De forma más concreta, cabe plantear que si se duplica el valor de cualquiera de ambas cargas (q1 o q2) también se deberá duplicar el módulo de la fuerza que se ejercen. Por tanto, la fuerza electrostática debe ser proporcional al producto de ambas cargas.

 

 

 

Para establecer el tipo de dependencia entre el módulo de la fuerza y la distancia entre las cargas, tenemos en cuenta que la fuerza que ejerce, por ejemplo, la carga q1 sobre la carga q2, es la misma en todos los puntos del espacio que estén a la misma distancia de q1  y disminuye al aumentar esa distancia, r.

 

Esto equivale a decir que la atracción o la repulsión que puede ejercer la carga q1 sobre la carga q2 es la misma en todos los puntos de una esfera de superficie S=4pr2 centrada en q1. La fuerza disminuye al alejarnos hacia esferas de mayor superficie y, por lo tanto, planteamos que su módulo ha de ser inversamente proporcional a la cantidad 4pr2.

 

Finalmente, se ha de considerar la influencia del medio, puesto que la interacción eléctrica no se transmite igual, por ejemplo, en el vacío que en el aire o en el agua. A tal fin, se introduce una constante, e, llamada permitividad eléctrica. La constante se escribe en el denominador de la expresión que calcula la fuerza, con lo que un medio con permitividad alta transmite mal la interacción eléctrica (es un medio "no eléctrico" o dieléctrico) y un medio con permitividad baja la transmite bien (es un medio conductor).

 

El conjunto de estos razonamientos conduce a la expresión operativa de la ley de ley de Coulomb:

 

 
Material

Constante (e' )

Vacío 1
Aire (seco) 1,00059
Poliestireno 2,56
Nylon 3,4
Papel 3,7
Cuarzo fundido 3,78
Vidrio Pirex 5,6
Caucho de neopreno 6,7
Agua 80
Titanato de estroncio 233
 

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la carga se expresa en culombios, C, siendo la carga de un electrón igual a 1.602·10-19C. La distancia se mide en metros, m, y la fuerza en newtons, N. Respecto a la permitividad, e, resulta cómodo simplificar la ley de Coulomb, utilizando la constante alternativa: k=1/4pe.

El mayor valor posible de esta constante, K, corresponde al vacío (ko=9·109 SI, eo=8.84·10-12 SI). Por lo tanto, en el vacío es donde la fuerza eléctrica entre cargas tiene mayor intensidad y cualquier medio material interpuesto produce una disminución de la misma. Por ello, resulta habitual usar una permitividad relativa e' del medio, igual al número de veces que es mayor que la del vacío (es decir, e' = e/eo). La tabla adjunta recoge los valores de esta constante dieléctrica relativa en varios medios.


 
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Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"