Ley de Coulomb

Cuando nos adentramos en el campo de la física, nos damos cuenta de que existen una gran cantidad de leyes de todo tipo que intentan explicar el comportamiento de la energía, la materia y de los fenómenos naturales.

Una de las leyes más importantes y reconocidas en el mundo es la Ley de Coulomb, la cual se sigue utilizando en numerosos aspectos a día de hoy. En este artículo te detallaremos todo lo que debes conocer acerca de ella.

¿Qué es la Ley de Coulomb?

La Ley de Coulomb enuncia que: 

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La ley de Coulomb también conocida como ley de cargas se centra las cargas eléctricas de un material, es decir, es diferente si sus cargas son negativas o positivas. Gracias a ella podemos predecir cuál será la fuerza electrostática de atracción o repulsión que existe entre dos partículas, según su carga eléctrica y la distancia que existe entre ambas.

Una vez hemos visto la definición de esta ley, es necesario realizar un análisis más profundo para  poder conocer su origen, explicar su funcionamiento  y ver qué aplicaciones tiene.

¿Cuál es el origen de la Ley de Coulomb?

En 1785 Charles Agustin de Coulomb, un físico e ingeniero francés presentó un proyecto en la Academia de Ciencias de París en el que recogía una serie de experimentos realizados sobre cuerpos cargados eléctricamente.

En ese momento había conseguido establecer las propiedades de la fuerza electrostática desarrollando como herramienta de estudio una balanza de torsión, que consistió en una barra que colgaba en una fibra pudiendo torcerse y volver a su posición inicial.

Así, se podía medir la fuerza que se realizaba sobre un punto de la barra cuando se colocaban algunas esferas cargadas con distancias diferentes para medir la fuerza de atracción o repele según girara la barra.

Gracias a estos llego a una serie de conclusiones:

• Al aproximarse dos cuerpos cargados, se origina una fuerza de atracción o repulsión entre ellos.
• El valor de dicha fuerza es proporcional al producto del valor de sus cargas.
• La fuerza puede ser de dos tipos,  de atracción si las cargas son de signo opuesto y de repulsión si son del mismo signo. 
• La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Todas estas constituyen hoy en día la Ley de Coulomb

¿Cuál es la fórmula de la ley de Coulomb y para qué sirve?

La Ley de Coulomb se utiliza para obtener y conocer qué tipo de fuerza se va a generar al existir interacción entre dos o más cargas. Esta fuerza puede ser de atracción o repulsión.

donde:

•  F es la fuerza eléctrica de atracción o repulsión medida en Newtons
• Q y q son los valores de las dos cargas puntuales, medidas en Culombios (C). 
• r es el valor de la distancia que separa las cargas, medida en metros (m). 
• K es la constante dieléctrica de proporcionalidad, también  llamada constante de Coulomb. No se trata de una constante universal y su fuerza varía según la permitividad dieléctrica del medio, ya sea agua, aire, vacío… entre otros.

Es una de las variables más importantes y su valor en el Sistema Internacional de medidas es:

¿Cómo se calcula la fuerza de atracción entre dos cargas?

Para poder calcular la fuerza de atracción entre dos cargas recurrimos a la fórmula de la Ley de Coulomb, algunos ejemplos de ello son:

Ejemplo 1 

Con dos cargas eléctricas, una de +3c y una de -2c, separadas por una distancia de 3m. Para determinar la fuerza que existe entre ambas cargas es necesario multiplicar la constante K por el producto de ambas cargas. Como  vemos en la imagen, se ha conseguido una fuerza negativa.

Ejemplo de cómo aplicar la ley de Coulomb

Ejemplo 2 

Con una carga de 6 x 10 C (q ) que está a 2m de distancia de una carga de -4 x 10 C (q ).

¿Cuál es la magnitud de fuerza entre estas dos cargas?

a. Hay que multiplicar los coeficientes: 9 x 6 x 4= 216.

b. Hay que sumar algebraicamente  los exponentes: -6 y -6 = -12. Ahora -12 + 9 = -3.

Respuesta: F = 54 x 10 N.

En el siguiente video se muestra cómo calcularlo.

¿Cuál es la variación de la Fuerza de Coulomb en función de la distancia?

En la barra de la balanza, Coulomb puso una pequeña esfera cargada y más tarde, a distancias diferentes, puso otra esfera también cargada. Después observó la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.

Estas mediciones consiguieron determinar que:

• La fuerza de interacción entre dos cargas q₁ y q ₂ duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente.

Su conclusión fue que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas.

La Ley de Coulomb funciona tanto en condiciones estacionarias, es decir, cuando no existe movimiento de las cargas, como en aproximación cuando el movimiento es a velocidades menos altas y en trayectorias rectilíneas uniformes.

Por ello se la denomina fuerza electrostática.

¿Qué es la constante dieléctrica o permitividad del medio?

Como hemos visto anteriormente la constante de la Ley de Coulomb K depende del medio, por lo que suele expresarse a través de otra constante denominada constante dieléctrica o permitividad del medio (ε).

En el caso del vacío se cumple que ε=ε , donde la permitividad del vacío (ε ) equivale a 8.85·10  C  / N·m .
Para otros medios diferentes del vacío  se utiliza una magnitud adimensional denominada constante dieléctrica relativa o permitividad relativa (ε ), que se obtiene por medio del cociente entre la permitividad del medio (ε) y la permitividad del vacío (ε ):

Permitividad relativa de algunos medios a 20 grados centígrados

¿Cómo calcular la Ley de Coulomb sin calculadora?

Para poder calcular esta ley sin la necesidad de utilizar una calculadora es necesario realizar un procedimiento estructurado, debido a todas las operaciones matemáticas que hay que realizar.

En el siguiente video te mostraremos la manera correcta de calcularlo

¿Qué relación existe entre la  Ley de Coulomb y la Ley de Gravitación Universal?

Anteriormente hemos visto en qué consiste la Ley de Coulomb, pero ¿Qué hay de la Ley de Gravitación Universal?

Esta ley establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Como podemos observar la definición de las dos leyes es muy similar, ambas intentan explicar el comportamiento de dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza a través de las matemáticas.