LEY DE COULOMB

Charles Coulomb (1736-1806) midió las magnitudes de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados usando la balanza de torsión, que el mismo invento. Coulomb confirmo que la fuerza eléctrica entre dos pequeñas esferas cargadas es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia de la separación de r, esto es, F_eα 1/r² . El principio de operación de la balanza de torsión es el mismo que el del aparato usado por Cavendish para medir la constante de la gravedad, con esferas eléctricamente neutras reemplazadas por esferas cargadas. La fuerza eléctrica entre las esferas A y B de la figura 1.6 provoca que las esferas se atraigan o se repelan una a la otra, y el movimiento resultante provoca que la fibra suspendida se tuerza. Gracias a que el par de torsión de recuperación de la fibra torcida es proporcional al ángulo de rotación de la fibra, una lectura de este ángulo nos da una medida cuantitativa de la fuerza eléctrica de atracción o de repulsión. Una vez cargadas las esferas por frotación, la fuerza eléctrica entre ambas se vuelve muy grande en comparación con la atracción de la gravedad, y por lo tanto esta última fuerza se puede despreciar.

De los experimentos de Coulomb, podemos generalizar las siguientes propiedades de la fuerza eléctrica entre dos partículas estacionarias cargadas. La fuerza eléctrica:

·         Es inversamente proporcional al cuadrado de la separación r entre partículas y está orientada en dirección a la línea que une las partículas;

·         Es proporcional al producto de las cargas q₁ y q₂ de ambas partículas;

·         Es de atracción si las cargas son de signos opuestos, y de repulsión si las cargas son del mismo signo;

·         Es una fuerza conservativa.

Usaremos el término carga puntual para referirnos a una partícula de tamaño carga puntual para referirnos a una partícula de tamaño cero que posee una carga eléctrica. El comportamiento eléctrico de electrones y protones queda muy bien descrito si se representa como cargas puntuales. Debido a observaciones experimentales sobre la fuerza eléctrica, podemos expresar la Ley de Coulomb como una ecuación que determina la magnitud de una fuerza eléctrica (a veces llamada fuerza de Coulomb) entre dos cargas puntuales:

Donde k _e es una constante conocida como constante de Coulomb. En sus experimentos, Coulomb pudo desmostrar que el valor del exponente de r era 2, con una incertidumbre de unos cuantos puntos porcentuales. Experimentos recientes han demostrado que el exponente es 2, con una incertidumbre de una cuantas partes en 10¹⁶.

El valor de la constante de Coulomb depende de la elección de las unidades. La unidad de carga SI es el coulomb (C). La constante de Coulomb K_e en unidades SI posee el valor

k_e=8.9875 x  10⁹ N *m²/C²

Esta constante se expresa también como

Donde la constante ϵ₀ (épsilon griega minúscula) se conoce como la permitividad del vacío, cuyo valor es

ϵ₀  = 8.8542 x 10^-12C²/N*m²

La unidad de carga más pequeña e conocida en la naturaleza es la carga de un electrón (-e) o de un protón (+e), con una magnitud de

e = 1.602 19 x 10^-19 C

Por lo tanto, una carga igual a 1 C es aproximadamente igual a la carga de 6.24 x 10¹⁸ electrones o protones. Esta cantidad es muy pequeña si se le compara con el número de electrones libres presentes en 1 cm³ de cobre, lo cual es del orden de 10²³. Aun así, 1C es una cantidad de carga sustancial. En experimentos típico donde se carga por frotación una varilla de hule o de vidrio, se obtiene una carga neta del orden de 10^-6 C. En otras palabras, solo una fracción muy pequeña de la carga total disponible se ha transferido entre la varilla y el material con el que se frota.

Las cargas y masas de electrón, protón y neutrón:

Carga y masa de electrones, protones y neutrones
Partícula	Carga (C)	Masa (Kg)
Electrón (e)	-1.602 191 7 x 10-19	9.109 5 x 10-31
Protón (p)	+1.602 191 7 x 10-19	1.672 61 x 10-27
Neutrón (n)	0	1.674 92 x 10-27