La ley de Coulomb y la conservación de la carga

Descubre la La ley de Coulomb y la conservación de la carga, para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo. Charles Agustín Coulomb, físico francés (1736-1806), determinó experimentalmente que la magintud de la fuerza F que un cuerpo de carga q₁ ejerce sobre otro de carga q₂ es directamente proporcional a la magnitud de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que los separa, O sea

F_1→2 = k_E (q₁ q₂)/r²

Esta expresión es válida cuando las dimensiones lineales de los cuerpos cargados son pequeños en comparación con la distancia que los separa. k_E es la constante electrostática y su valor depende del medio donde se encuentra las cargas. Para el vacío, k_E = 9 x 10⁹ Nm²/C². En la figura se indica la dirección y el sentido de la fuerza F_1→2 cuando las cargas tienen el mismo signo y cuando tienen signo opuesto.

La ley de Coulomb y la conservación de la carga

Según Franklin los cuerpos tienen una cantidad de electricidad normal. Cuando un cuerpo es frotado contra otro, parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo a otro, de modo que uno queda con exceso y el otro con defecto. Este modelo presupone la existencia de un principio de conservación de la carga.

Ver también: La ley de Charles Coulomb

Según el principio de conservación de la carga, en un sistema aislado la carga se conserva. Es decir, la suma de las cargas positivas y negativas permanece contante. Debido a que la electrización de la materia es un intercambio de electrones, es frecuente utilizar su carga como unidad elemental de carga. La carga eléctrica de un material siempre es múltiplo de la carga eléctrica de un electrón.

De esta forma, son los electrones y los protones las principales partículas subatómicas responsables de la aparición de la electricidad. Ésta se puede originar o transmitir provocando el movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro.

La corriente eléctrica

Ya sabemos que la corriente eléctrica es generada por el movimiento de los electrones libres dentro de un cuerpo, que saltan de la banda de conducción de un átomo a otro cuando se les aplica energía (calor, luz o electricidad). Ahora verás cómo ocurre este fenómeno y sus consecuencias.
Imagina un cable de cobre al que se le aplica una carga negativa en un extremo y una positiva en el otro.

Todos los electrones libres del cobre serán repelidos por la carga negativa porque las cargas iguales se repelen; y más importante aún: serán atraídos por la carga positiva, porque cargas contrarias se atraen. Como consecuencia, los electrones libres comenzarán a moverse en una misma dirección y todos al mismo tiempo.

Ver también: ¿Qué es la valencia de un átomo?

Al movimiento continuo de electrones desde la carga negativa hacia la carga positiva se le conoce como flujo de corriente, y la corriente eléctrica siempre fluye en la misma dirección: desde el punto donde existe un exceso de electrones (-) hacia el punto donde hay escasez de los mismos (+). Dado que el flujo de corriente está determinado por la cantidad de electrones libres en movimiento, se mide con la unidad coulomb (C). Como recordarás, un coulomb equivale aproximadamente a 6.28 trillones de electrones libres; con esa base decimos que un coulomb que pasa por un punto fijo cada segundo equivale a un amperio (representado por la letra A), y esta relación la expresamos con una sencilla fórmula: 1C/s = 1A.

No es importante calcular la cantidad exacta de electrones que corren por un cuerpo. Lo importante es comprender que el flujo de corriente eléctrica se mide en amperios o bien, que el amperio es la unidad de medida de la corriente eléctrica, y un amperio representa la cantidad de electrones pasen por un punto dado cada segundo, mayor será el amperaje y viceversa. Finalmente, el flujo de corriente (o corriente para abreviar), también se le conoce como Intensidad, y se representa en diagramas y fórmulas con la letra i mayúscula (I).

La ley de Charles Coulomb

Charles-Agustín de Coulomb fue un físico e ingeniero francés del siglo XVIII. En su honor, la unidad de medida de los electrones lleva su nombre: coulomb que se simboliza con la letra C. Dado que el electrón es una partícula extremadamente pequeña no es posible medirlo por unidad (uno por uno) por lo cual, el coulomb representa un enorme conjunto de electrones: un coulomb equivale a 6.28 trillones de electrones.

En el átomo, las cargas electromagnéticas corresponden a partículas específicas: protones, positiva (+) y electrones, negativa (-).

Ver tambíén: La material tiene carga eléctrica.

Si el átomo está constituido por un núcleo de carga positiva predominante (protones), rodeado de una nube de electrones con carga negativa, y los objetos con cargas distintas se atraen, entonces ¿por qué los electrones no se precipitan sobre el núcleo?

La explicación es sencilla: sus fuerzas electrostáticas están en equilibrio, como lo explica la Ley de Coulomb, que establece: "La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos con cargas electrostáticas es proporcional a la intensidad de la carga presente en cada uno de ellos, dividida por el cuadrado de la distancia que los separa".

En cargas contrarias significa que mientras mayor sea la magnitud de cada una, mayor será la fuerza de atracción entre ellas y mientras más cerca esté una de otra, la atracción se incrementará. Lo mismo aplica a cargas iguales, pero con repulsión.

Dentro del átomo, por cada protón en el núcleo existe un electrón en la nube circundante, de tal manera que el total de sus cargas se anula, es decir, queda en equilibrio.

Por ejemplo, el átomo de Boro tiene en su núcleo 5 protones (+5) y es circundado por 5 electrones (-5), de modo que 5-5=0, es decir, no predomina ninguna carga electromagnética y el átomo está en equilibrio. Además, la distancia a la que se encuentran las órbitas de los electrones es la exacta para permitir la estabilidad.

En el estudio de la electricidad y las instalaciones eléctricas residenciales es fundamental conocer la Ley de Coulomb, ya que explica cómo se genera la corriente eléctrica como consecuencia de la distancia entre los electrones de la última órbita y el núcleo.

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