Ley de Coulomb para niños
La ley de Coulomb es una regla fundamental en la física que nos ayuda a entender cómo interactúan las cargas eléctricas. Fue descubierta en 1785 por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb. Esta ley es la base de la electrostática, que es el estudio de las cargas eléctricas en reposo.
Imagina que tienes dos objetos muy pequeños con carga eléctrica. La ley de Coulomb nos dice que la fuerza entre ellos depende de dos cosas:
- La cantidad de carga que tiene cada objeto.
- La distancia que los separa.
Si las cargas son del mismo tipo (ambas positivas o ambas negativas), se repelen, es decir, se empujan. Si son de tipos diferentes (una positiva y otra negativa), se atraen, es decir, se jalan.
Contenido
¿Qué es la Ley de Coulomb?
La ley de Coulomb explica que la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales (cargas muy pequeñas) en reposo es:
- Directamente proporcional al producto de sus cargas: esto significa que si una carga o ambas son más grandes, la fuerza entre ellas también será mayor.
- Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa: esto quiere decir que si las cargas están más lejos, la fuerza entre ellas disminuye muy rápido. Por ejemplo, si duplicas la distancia, la fuerza se reduce a una cuarta parte.
- La fuerza actúa a lo largo de la línea que une las dos cargas.
La fuerza es de repulsión si las cargas tienen el mismo signo (ambas positivas o ambas negativas), y es de atracción si tienen signos opuestos (una positiva y una negativa).
¿Cómo se descubrió la Ley de Coulomb?
Charles-Augustin de Coulomb usó un aparato especial llamado balanza de torsión para estudiar las fuerzas eléctricas. Este instrumento era muy sensible y le permitía medir fuerzas muy pequeñas.
El experimento de la balanza de torsión
La balanza de torsión de Coulomb consistía en una barra que colgaba de un hilo muy fino. Si la barra giraba, el hilo se torcía y trataba de regresarla a su posición original. Midiendo cuánto se torcía el hilo, Coulomb podía saber la fuerza que actuaba sobre la barra.
En su experimento, Coulomb colocó una pequeña esfera cargada en un extremo de la barra. Luego, acercó otra esfera también cargada a diferentes distancias. Al observar cuánto giraba la barra, pudo medir la fuerza entre las esferas.
Sus mediciones le permitieron descubrir que:
- Si duplicaba la carga de una de las esferas, la fuerza entre ellas también se duplicaba. Si la triplicaba, la fuerza se triplicaba, y así sucesivamente. Esto le mostró que la fuerza es proporcional al producto de las cargas.
- Si duplicaba la distancia entre las esferas, la fuerza disminuía cuatro veces (2x2=4). Si la triplicaba, la fuerza disminuía nueve veces (3x3=9). Esto demostró que la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Con estos descubrimientos, Coulomb pudo formular la ley que lleva su nombre.
La fórmula de la Ley de Coulomb
La ley de Coulomb se puede escribir con una fórmula matemática:
Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): F = \kappa \frac{q_1 q_2}{r^2} \,\!
Donde:
- F es la fuerza eléctrica (se mide en Newtons, N).
- q₁ y q₂ son las cantidades de carga de los objetos (se miden en culombios, C).
- r es la distancia entre los objetos (se mide en metros, m).
- κ (letra griega kappa) es una constante de proporcionalidad llamada constante de Coulomb. Su valor es aproximadamente 9 x 10⁹ N·m²/C² en el vacío.
Es importante recordar que esta ley funciona mejor para cargas que no se están moviendo o que se mueven muy lentamente. Por eso se le llama "fuerza electrostática".
Comparación con la Ley de Gravitación Universal
La ley de Coulomb tiene un parecido sorprendente con la ley de la gravitación universal de Isaac Newton, que describe la fuerza de atracción entre dos masas. Ambas leyes tienen una forma similar: la fuerza es proporcional al producto de las "cosas" (cargas o masas) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Sin embargo, hay dos diferencias muy importantes: 1. Tipos de fuerza: La fuerza eléctrica puede ser de atracción o de repulsión (dependiendo de si las cargas son iguales o diferentes). En cambio, la fuerza de gravedad siempre es de atracción. 2. Intensidad de la fuerza: La fuerza eléctrica es muchísimo más fuerte que la fuerza de gravedad. Para que te hagas una idea, la fuerza eléctrica entre un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno es ¡miles de millones de veces más grande que la fuerza de gravedad entre ellos! Esto explica por qué no vemos objetos grandes repeliéndose o atrayéndose eléctricamente de forma dramática en la vida diaria, ya que la mayoría de los objetos son eléctricamente neutros (tienen la misma cantidad de cargas positivas y negativas).
Verificación experimental de la Ley de Coulomb
Es posible comprobar la ley de Coulomb con un experimento sencillo. Imagina dos pequeñas esferas del mismo tamaño y peso, cargadas con la misma cantidad de electricidad y del mismo tipo (por ejemplo, ambas positivas). Si las cuelgas de hilos, se repelerán y se separarán.
Midiendo el ángulo que forman los hilos y la distancia entre las esferas, se pueden calcular las fuerzas que actúan sobre ellas: su peso, la tensión del hilo y la fuerza eléctrica de repulsión. Al hacer los cálculos, se puede verificar que la fuerza eléctrica sigue la ley de Coulomb.
Limitaciones de la Ley de Coulomb
Aunque la ley de Coulomb es muy útil, tiene algunas limitaciones:
- Solo es precisa para cargas puntuales (muy pequeñas) que están en reposo o moviéndose muy lentamente.
- Cuando las cargas se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, se necesitan fórmulas más complejas.
- A distancias muy, muy pequeñas (como dentro de un átomo), la ley necesita correcciones debido a efectos de la física cuántica.
Galería de imágenes
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Ley de Coulomb expresando los signos de cargas f1 a f2 de diferente signo, y de cargas del mismo signo
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Variación de la fuerza de Coulomb entre dos cargas puntuales en función de la distancia
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Representación gráfica de la ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo
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Montaje experimental para verificar la ley de Coulomb
Véase también
En inglés: Coulomb's law Facts for Kids
