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, Feα 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 Ke en unidades SI
posee el valor
ke=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
|
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