1.1 Ley de Coulomb
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Charles A. Coulomb, utilizando una balanza de torsión en 1785, llegó a las siguientes conclusiones sobre la interacción electrostática:
1) La fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
2) La fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas es directamente proporcional al producto de las cargas.
3) La fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas tiene la dirección de la recta que las une.
Estos resultados se resumen en la ley de Coulomb.
Actividad
Ley de Coulomb:
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| Imagen de elaboración propia |
La fuerza con que se atraen o repelen dos cargas en reposo es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, en la dirección de la recta que las une.
Pero la fuerza es un vector, por tanto la expresión precisa es:
donde
es el vector unitario de dirección la recta que une la carga q1 con la carga q2 y su sentido el que va de q1 a q2 . K es la denominada constante de Coulomb, que en vacío toma un valor K0 = 9·109 N·m2·C-2. |
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Al ser una magnitud vectorial y, como tal, estará caracterizada por :
- Módulo: El valor numérico de F.
- Dirección: La de la recta que une ambas cargas.
- Sentido: Si ambas cargas son del mismo signo, la fuerza será positiva (repulsiva) mientras que si son de signo opuesto la fuerza es negativa (atractiva) tal y como se observa experimentalmente.
Otra característica a tener en cuenta es que por tratarse de una fuerza debe de cumplir la tercera ley de Newton (Principio de acción y reacción) y por ello las fuerzas que se ejercen mutuamente dos cargas deben ser iguales en módulo y dirección pero de sentido contrario (
)
En el caso de que haya un sistema de varias cargas, la fuerza neta que actúa sobre una de ellas es la resultante de las fuerzas que ejercen las otras sobre ella (principio de superposición).
AV - Pregunta de Elección Múltiple
Ejemplo o ejercicio resuelto
a) Dos cargas idénticas de 5 μC, están en el vacío, separadas una distancia de 0,25 m. ¿Cómo es la fuerza que actúa entre ellas? 1 μC (microculombio) = 10-6 C ; k (en el vacío) = 9·109Nm2C-2
b) La fuerza con que se repelen dos cargas idénticas es de 0,9 N cuando están en el vacío separadas 10 cm. ¿Cuál es el valor de las cargas?
c) Una carga de 5 μC ejerce una fuerza de 9 N sobre otra carga de 2 μC, en el vacío. ¿Cuál es la distancia que las separa?
La constante de Coulomb, K, no es una constante universal ya que tiene dependencia con el medio en el que se encuentran las cargas, y por ello toma un valor distinto para cada tipo de medio.
La constante K se expresa en función de la constante dieléctrica del medio, también denominada permitividad y que se representa como ε.
Se toma como referencia de estas constantes su valor en el vacío, indicado por un subíndice cero bajo ellas (K0 y ε0), y la permitividad de un medio que no sea el vacío mediante su permitividad relativa (εr).
Actividad
La relación entre la permitividad (ε) y la constante de Coulomb (K) es la siguiente:
La permitividad de un medio es 
donde εr es la permitividad relativa y ε0 es la permitividad en el vacío (ε0 = 8.85·10-12 C2·N-1·m-2). La permitividad relativa de cualquier medio distinto al vacío es siempre mayor que 1.
En la siguiente tabla se indican los valores de εr , ε y K para distintos medios:
| Sustancia | εr |
ε (C2·N-1·m-2) | K (N·m2·C-2) |
| Vacío | 1 | 8.85·10-12 | 9·109 |
| Aire | ≈1 | ≈8.85·10-12 | ≈9·109 |
| Agua | 80 | 7.08·10-10 | 1.12·108 |
| Vidrio | 7 | 6.20·10-11 | 1.28·109 |
Fíjate que el vacío y el aire tienen prácticamente la misma permeabilidad, que será la que se utilizará salvo que se indique lo contrario.