Ley de Coulomb
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En el siglo XVIII, era bien sabido que una partícula cargada eléctricamente ejercería una fuerza sobre cualquier otra partícula cargada. El problema era que nadie sabía qué tan fuerte era la fuerza o qué factores afectaban su fuerza. Es decir, hasta que un científico muy brillante de nombre Charles Coulomb realizó varios experimentos que lo llevaron a proponer lo que ahora se conoce como la ley de Coulomb .
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Como veremos en esta lección, descubrió que la fuerza entre las partículas cargadas dependía solo de dos factores: la distancia entre las partículas y la cantidad de carga eléctrica que transportaban. No nos preocuparemos por memorizar la ecuación, sino que nos centraremos en comprender qué nos dice la ecuación sobre las relaciones entre fuerza, distancia y carga.
El efecto de la carga de partículas
La fuerza entre las partículas cargadas está directamente relacionada con la cantidad de carga transportada por cada partícula. Aparte de los electrones y protones, la mayoría de las partículas cargadas tienen una cantidad variable de carga. Piense en frotar un globo en su cabello. El globo recogerá cargas negativas de tu cabello y comenzará a actuar como una gran partícula cargada. La cantidad de carga en el globo dependerá de cuánto tiempo lo frotes en tu cabello. Ahora, si repites este experimento con un segundo globo, los dos intentarán repelerse entre sí, y la fuerza de esa fuerza repelente dependerá de cuánta carga haya recogido cada globo de tu cabello.
Volviendo a la ecuación de Coulomb, podemos ver que las cantidades de carga transportadas por cada globo están representadas por los términos q1 y q2 . Para permitirnos enfocarnos en la relación entre la fuerza y las cargas, eliminemos las otras partes de la ecuación. Lo que nos dice esta parte de la ecuación es que la fuerza está directamente relacionada con el producto de las dos cargas. En otras palabras, si el producto de las cargas aumenta, la fuerza también aumentará. Para entender realmente lo que esto significa, probemos algunos ejemplos.
Comenzaremos con cantidades iguales de carga en cada globo, lo que resulta en una fuerza repelente entre ellos. Si duplicamos la cantidad de carga en uno de los globos, entonces el producto de las cargas también se duplicará y, a su vez, la fuerza se duplicará. A continuación, dupliquemos la carga del otro globo y veamos qué sucede. El producto es ahora cuatro veces más grande de lo que era al principio, lo que significa que la fuerza también será cuatro veces mayor.
Mapa Conceptual del Modelo Estándar de la Física de Partículas
Para demostrar por qué lo importante es el producto de los cargos, a diferencia de los cargos individuales, volvamos al principio. Esta vez, duplicaremos la carga en un globo pero cortaremos la carga a la mitad en el otro globo. Cuando hacemos los cálculos, podemos ver que el producto sigue siendo el mismo, lo que significa que la fuerza no cambiará. Esta es la razón por la que nunca es seguro asumir que solo porque cambia la carga de una partícula, la fuerza también cambiará.
El efecto de la distancia entre cargas
La fuerza entre las partículas cargadas depende mucho de la distancia entre ellas, incluso más que de las cargas de las partículas que acabamos de discutir. En la ecuación de Coulomb, la distancia entre partículas está representada por el término d . Para permitirnos enfocarnos en la relación entre la fuerza y la distancia, eliminemos las otras partes de nuestra ecuación. Podemos ver que el término de distancia está en la parte inferior de la fracción, lo que nos dice que la fuerza y la distancia están inversamente relacionadas. En otras palabras, si la distancia aumenta, la fuerza disminuirá. O si la distancia disminuye, la fuerza aumentará. La fuerza y la distancia siempre cambian de manera opuesta.
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Lo siguiente que hay que notar es que el término de distancia está al cuadrado, que en realidad es solo otra forma de decir «distancia multiplicada por distancia». Escrito así, queda claro que la distancia se representa dos veces en la ecuación. Esto nos dice que un cambio en la distancia tendrá más efecto sobre la fuerza que la misma cantidad de cambio en las cargas de las partículas. Para ayudar a aclarar, veamos algunos ejemplos más.
Comenzaremos como antes con dos globos separados por una distancia y una fuerza repelente entre ellos. A continuación, duplicaremos la distancia entre los globos para ver qué efecto tiene sobre la fuerza. Volviendo a la ecuación de Coulomb, podemos ver que debido a que el término de distancia aparece dos veces y cada uno se duplica, la parte inferior de la fracción se vuelve cuatro veces más grande. Reorganizar los términos hace que sea más fácil ver que la fuerza es ahora una cuarta parte de su fuerza original.
La misma regla se aplica si vamos en la otra dirección. Comenzando desde el principio, acercaremos los globos hasta que la distancia se reduzca a la mitad. Nuevamente, usar la ecuación para hacer los cálculos y reorganizar los términos nos permite ver que la fuerza se vuelve cuatro veces más fuerte de lo que era al principio.
Ley de Proximidad Vs Ley de Contraste: Diferencias y Ejemplos
Los efectos combinados de carga y distancia
A lo largo de nuestra discusión, hemos tratado las cargas de partículas y la distancia por separado. Sin embargo, es importante darse cuenta de que siempre trabajan juntos para afectar la fuerza. Por ejemplo, si duplicamos la carga de cada partícula, la parte superior de nuestra fracción se volvería cuatro veces mayor. Al mismo tiempo, si duplicamos la distancia, la parte inferior de nuestra fracción también se vuelve cuatro veces mayor. Los cambios simultáneos tienen el efecto de anularse entre sí, y la fuerza entre las partículas permanece exactamente igual.
Coulomb como unidad de carga
Antes de concluir nuestra lección, vale la pena mencionar que las contribuciones de Charles Coulomb a la comprensión de la fuerza electrostática fueron tan importantes que la unidad de carga eléctrica recibió su nombre. Un culombio de carga es en realidad un número realmente grande que rara vez encontramos en la vida diaria. Para darte una idea, tendríamos que transferir más de 6 mil millones de electrones a uno de nuestros globos para darle una carga de solo un culombio. No es importante recordar un hecho tan asombroso, pero ahora sabe que si alguna vez ve un número expresado en culombios, entonces ese número se refiere a una cantidad de carga eléctrica.
Resumen de la lección
Es hora de resumir todo lo que hemos aprendido en esta lección. La ley de Coulomb nos dice cómo la fuerza entre las partículas cargadas se ve afectada por las cargas individuales y la distancia entre ellas. La fuerza cambia en relación directa con el producto de las cargas de las partículas y en relación inversa con la distancia. El aumento de las cargas de las partículas generalmente da como resultado un aumento de la fuerza, mientras que el aumento de la distancia generalmente da como resultado una disminución de la fuerza. En comparación con las cargas de las partículas, un cambio en la distancia tiene más influencia sobre la fuerza. Sin embargo, las cargas de las partículas y la distancia siempre trabajan juntas para afectar la fuerza. Finalmente, la unidad de carga eléctrica se llama culombio.
Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya estudiado esta lección, podrá:
- Identificar la unidad de carga eléctrica
- Explica cómo las cargas individuales y la distancia se relacionan con la fuerza entre partículas cargadas.
- Resumir lo que sucede con la fuerza cuando las cargas individuales o la distancia entre las cargas cambia
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