Magnitud y dirección de la fuerza eléctrica en una carga puntual

Magnitud y dirección

Cuando sostienes una pelota por encima del suelo y la sueltas, sabes que caerá hacia la tierra. Esto sucede porque la tierra ejerce una fuerza de atracción sobre la pelota, lo que hace que se mueva hacia la tierra, acelerando a medida que se acerca.

Algo similar sucede cuando sostienes dos cargas cerca una de la otra y las sueltas. Las cargas ejercerán fuerzas eléctricas entre sí, haciendo que se separen o se junten. Sin embargo, a diferencia de la fuerza gravitacional que ejerce la tierra sobre la bola, que siempre es una fuerza atractiva, la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales puede ser atractiva o repulsiva, según el tipo de cargas involucradas.

Si las dos cargas son diferentes, una positiva y otra negativa, se atraerán entre sí. Pero, si las dos cargas son iguales, siendo ambas positivas o negativas, se repelerán entre sí.

La ley de Coulomb dice que la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados es directamente proporcional a la carga de cada objeto (simbolizada por q 1 y q 2 ) e inversamente proporcional a la distancia entre las cargas ( r ). Por lo tanto, puede usar la siguiente ecuación para calcular la magnitud de la fuerza entre CUALQUIER dos objetos cargados:

Recuerde que esto solo le dará la magnitud de la fuerza, y no la dirección, por lo que debe usar el valor absoluto de q 1 y q 2 . ¡La magnitud de una fuerza nunca será un número negativo!

Cargos de dos puntos

Primero intentemos usar la ley de Coulomb para calcular la magnitud y la dirección de la fuerza eléctrica en una carga puntual cuando solo hay dos cargas puntuales presentes.

En la situación que se muestra aquí, ¿cuál es la magnitud y la dirección de la fuerza ejercida sobre la carga de la izquierda por la carga de la derecha?

Primero, determine la dirección de la fuerza sobre q 1 . Dado que una carga es negativa y la otra es positiva, las cargas ejercerán fuerzas de atracción entre sí. Por lo tanto, la fuerza eléctrica sobre q 1 se dirigirá hacia la derecha.

Luego, use la ley de Coulomb para calcular la magnitud de la fuerza, así:

Por lo tanto, la fuerza eléctrica ejercida sobre q 1 es 1.5×10 -6 N dirigida hacia la derecha.

Cargos puntuales en una línea

A continuación, intentemos encontrar la fuerza neta sobre una carga cuando se ejerce sobre ella más de una fuerza eléctrica, como se muestra aquí. ¿Cuál es ahora la fuerza neta sobre q 1 ?

En esta situación, tanto q 2 como q 3 ejercen fuerzas eléctricas sobre q 1 . Para encontrar la fuerza neta sobre q 1 , primero determine la dirección de la fuerza que cada una de las otras cargas ejercerá sobre él. Como antes, q 2 ejercerá una fuerza de atracción hacia la derecha, que ya calculamos. Debido a que q 1 y q 3 están cargados positivamente, entonces q 3 ejercerá una fuerza repelente sobre q 1 que se dirigirá hacia la izquierda, así:

Luego, usa la ley de Coulomb para calcular la magnitud de cada fuerza. Ya conocemos la magnitud de F 2 ya que la calculamos en el primer ejemplo, así que solo necesitamos encontrar F 3 :

Finalmente, para encontrar la fuerza neta, observe que F 3 se dirige hacia la izquierda, por lo que está en una dirección negativa, mientras que F 2 se dirige hacia la derecha, por lo que está en una dirección positiva. Por lo tanto, encuentre la fuerza neta restando la magnitud de F 3 de la magnitud de F 2 , así:

La fuerza neta sobre F 1 se dirige hacia la derecha y tiene una magnitud de 6.36×10 -7 N.

Cargos puntuales en un plano 2D

Finalmente, veamos cómo encontrar la fuerza neta cuando las cargas no están en línea recta. Si q 1 , q 2 y q 3 están dispuestos como se muestra aquí, ¿cuál es la fuerza neta sobre q 1 ahora?

Las distancias entre las cargas son las mismas que cuando las cargas estaban dispuestas en línea, por lo que las magnitudes de las dos fuerzas eléctricas individuales no han cambiado. Sin embargo, ¡la magnitud y dirección de la fuerza neta definitivamente ha cambiado!

Una vez más, primero debe determinar la dirección de cada fuerza eléctrica en q 1 . Recuerde que las fuerzas que son iguales se repelerán entre sí y las fuerzas que son diferentes se atraerán entre sí.

Sin embargo, para encontrar la fuerza neta, no puede simplemente sumar o restar estas fuerzas. Las fuerzas son vectores, por lo que debes sumarlas usando álgebra vectorial. Para agregar dos vectores, comience dibujando el primer vector en la dirección correcta, luego dibuje el segundo vector desde la punta del primero. La suma de los dos vectores es una línea trazada desde el principio del primer vector hasta el final del segundo vector. Esto forma un triángulo, por lo que puede usar la trigonometría para encontrar la magnitud y la dirección del vector resultante.

Resumen de la lección

Para calcular la fuerza eléctrica sobre una carga puntual, primero determine la dirección de la fuerza. Dos cargas iguales se repelerán entre sí, mientras que dos cargas diferentes se atraerán entre sí. Luego, use la Ley de Coulomb , que establece que la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados es directamente proporcional a la carga de cada objeto, para encontrar la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas cualesquiera. Si se ejerce más de una fuerza eléctrica sobre una carga, encuentre la fuerza neta calculando la suma vectorial de todas las fuerzas individuales que actúan sobre la carga.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador