Fuerzas y Cargas Eléctricas: Ley de Coulomb y Principios Fundamentales

Las fuerzas eléctricas están presentes, de forma directa o indirecta, en la mayoría de nuestras actividades diarias: cuando usamos la luz eléctrica o el frigorífico, cuando viajamos en medios de transporte accionados por motores eléctricos, etc.

Origen de la Carga Eléctrica

La carga eléctrica de un cuerpo tiene su origen en la estructura atómica de la materia. La corteza del átomo está formada por electrones (partículas con carga negativa), mientras que el núcleo está formado por protones (partículas con carga positiva) y neutrones (sin carga eléctrica).

En condiciones normales, los cuerpos son neutros porque tienen el mismo número de protones y electrones. Sin embargo, algunos átomos se desprenden fácilmente de sus electrones más externos adquiriendo carga eléctrica. Así, la electrización es el proceso por el que un cuerpo adquiere carga eléctrica.

Tipos de Carga Eléctrica

Por lo tanto, existen dos tipos de carga eléctrica: la positiva y la negativa. Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signos opuestos se atraen.

A) Conservación de la Carga Eléctrica

En todo proceso, la carga eléctrica total permanece constante. En los fenómenos eléctricos, las cargas se mueven de un cuerpo a otro, pero la carga total permanece constante.

B) Cuantización de la Carga Eléctrica

Millikan demostró que la carga eléctrica siempre se presenta en paquetes discretos, como un múltiplo entero de cierta carga e. Es decir, la carga eléctrica está cuantizada. Así, cualquier carga eléctrica es un múltiplo entero de una unidad elemental de carga. Esta unidad elemental es la carga del electrón.

La carga se mide en C (Coulomb), así: 1μC = 10^-6 C; 1nc = 10^-9 C y 1pC = 10^-12 C.

Ley de Coulomb

Coulomb enunció la ley, la ley de Coulomb, que expresa el valor de la fuerza que se ejercen mutuamente dos cargas eléctricas: “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.

|F⃗| = F₁₂ = F₂₁ = K |Q₁||Q₂| / r²

Características de las Fuerzas Eléctricas

• La fuerza está dirigida a lo largo de la recta de unión de las cargas. Así, la fuerza es de repulsión si las cargas son del mismo signo. En cambio, la fuerza es de atracción si las cargas son de signos distintos.
• Además, las fuerzas eléctricas son fuerzas a distancia, no es preciso que exista ningún medio material entre las cargas para que dichas fuerzas actúen.
• Siempre se presentan a pares (principio de acción-reacción), es decir, las fuerzas F₁₂ y F₂₁ tienen el mismo módulo y dirección, pero sentidos contrarios: F₁₂ = -F₂₁.

Si el campo eléctrico es creado por un conjunto de cargas eléctricas puntuales, aplicando el principio de superposición sabemos que la fuerza resultante sobre una de ellas es:

F_T1 = F₂₁ + F₃₁ + F₄₁ + ...

Constante Dieléctrica o Permitividad

La constante K se escribe de la siguiente manera: K = 1 / 4πε, donde ε es la constante dieléctrica o permitividad: ε = ε₀ε_r.

ε₀ es la constante dieléctrica en el vacío y su valor es: ε₀ = 8,854 x 10^-12 C²N^-1m^-2. En el vacío ε_r = 1. Por lo tanto, K no es una constante universal; en el vacío y en el aire consideraremos que K = 9 x 10⁹ N m² C^-2.