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Interacciones Eléctricas. La Ley de Coulomb
INTRODUCCIÓN
La Electrostática se ocupa del estudio de las interacciones entre cargas eléctricas en
reposo.
Las primeras experiencias relativas a los fenómenos eléctricos se refieren a la
observación de que cuando ciertos materiales se frotan unos contra otros, adquieren la
propiedad de atraer otros objetos (electrización por frotamiento). Se dice que dichos
cuerpos han adquirido una nueva propiedad, denominada electricidad, en virtud de la
cual pueden ejercer un nuevo tipo de fuerzas: las interacciones o fuerzas eléctricas.
También se suele decir que dichos cuerpos han adquirido carga eléctrica o se han
cargado eléctricamente.
Experimentos simples permiten deducir las siguientes propiedades relativas a las
interacciones eléctricas:
(a) Las interacciones eléctricas son mucho más intensas que las interacciones
gravitatorias;
(b) Existen dos clases distintas de carga eléctrica: cargas positivas y cargas negativas.
(c) Las interacciones eléctricas pueden ser atractivas o repulsivas: dos cuerpos en el
mismo estado de electrización se repelen y dos cuerpos en estados de electrización
distintos se atraen.
CARGA ELÉCTRICA.
PROPIEDADES
1.
Se define la carga eléctrica como la propiedad de la materia en virtud de la cual es
capaz de ejercer fuerzas de tipo eléctrico. Se designa habitualmente por la letra “q”.
2. La carga eléctrica constituye una medida de la intensidad de las fuerzas eléctricas que
un cuerpo es capaz de ejercer. También se suele decir que la carga eléctrica
constituye una medida de la cantidad de electricidad de un cuerpo.
3. Las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas. Cargas del mismo signo se
repelen y cargas de signo contrario se atraen. La carga eléctrica neta de un cuerpo es
la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas; un cuerpo que tiene
cantidades iguales de carga positiva y negativa (carga neta cero) se dice que es
eléctricamente neutro.
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DOCENTE: ALEJANDRO HERNÁNDEZ CABALLERO.
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PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA: En todos los procesos que ocurren
en un sistema aislado, la carga total permanece constante.
Cuantificación de la carga: La carga eléctrica no aparece en cualquier cantidad, sino
en múltiplos enteros de una unidad fundamental o cuanto. La unidad fundamental de
carga es la carga eléctrica del electrón.
Estructura atómica: Las propiedades eléctricas de los cuerpos se pueden entender
de forma simple teniendo en cuenta la estructura eléctrica de los átomos que
constituyen la materia. Todo proceso de transferencia de carga se puede entender
como un proceso de transferencia de electrones entre los átomos de dos cuerpos.
Cuando se transfieren electrones por frotamiento, decimos que los cuerpos se cargan
por frotamiento (electrización por frotamiento), mientras que cuando los electrones se
transfieren por contacto directo, decimos que los objetos se cargan por contacto
(electrización por contacto).
CONDUCTORES Y AISLANTES
De acuerdo a su comportamiento eléctrico, se pueden distinguir dos tipos de
materiales:
a) Conductores: Son materiales que permiten el paso de electricidad (cargas) a
través de ellos. Se caracterizan porque contienen cargas que pueden moverse
libremente en el material (cargas libres). El ejemplo más común es el de los metales,
en los que las cargas libres son los electrones de las capas más externas de los
átomos metálicos (electrones de valencia), también llamados electrones libres.
b) Aislantes: se trata de materiales no conductores, que no permiten el paso de la
electricidad (cargas) a través de ellos. En un material aislante, las partículas cargadas
(electrones y protones) que constituyen los átomos y moléculas del mismo no se
pueden mover libremente. Los electrones y protones de los átomos de un material
aislante se encuentran ligados a los átomos y moléculas del medio. Los aislantes
reciben también el nombre de dieléctricos.
CARGAS PUNTUALES. LA LEY DE COULOMB

LEY DE COULOMB
La ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas
puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.
Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años
después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales
directos.
Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico
del espacio. Evidentemente una carga puntual no existe, es una idealización, pero
constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre
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cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en
comparación con la distancia que existe entre ellos.
Ley de Coulomb: La fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional
al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que
las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las
cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.
Matemáticamente, la ley de Coulomb se puede expresar:
𝑭𝒒𝟏→𝒒𝟐 = 𝒌
𝒒𝟏 𝒒𝟐
𝒓
Donde:
𝑭𝒒𝟏→𝒒𝟐
Es la fuerza que la carga q1 ejerce sobre la carga q2.
𝒌
Es una constante mayor que cero.
𝒓
Es la distancia entre las cargas.
Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:
a) Cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre
suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de
Electrostática);
b) Las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y
reacción), es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen
entre sí son iguale en magnitud y dirección, pero de sentido contrario:
𝑭𝒒𝟏 𝒒𝟐 = 𝑭𝒒𝟐 𝒒𝟏
c) La ley de Coulomb es una ley experimental. En sus experimentos, Coulomb
pudo demostrar que la ley del inverso del cuadrado de la distancia para la
fuerza entre cargas eléctricas en reposo era exacta con sólo un pequeño
porcentaje de error. Hoy en día se sabe que es cierta con gran exactitud.
d) Hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de
muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre
protones y electrones en un átomo. Es más, se sabe que la ley de Coulomb es
válida para la repulsión electrostática entre núcleos hasta distancias de
~ 10−14 [𝑚] a distancias más cortas dominan las fuerzas nucleares (la
interacción fuerte).
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SISTEMA DE UNIDADES
El valor de la constante k que aparece en la ley de Coulomb depende de las unidades
elegidas para la carga, la fuerza y la distancia entre cargas. En Electrostática, como
sistema de unidades, usaremos, mientras no se diga lo contrario, el Sistema
Internacional de Unidades.
Sus características principales son:
Unidad de fuerza: Newton
Unidad de longitud: metro
Unidad de carga: Culombio (C)
1
𝑁. 𝑚2
≈ 9 × 109 [ 2 ]
4𝜋𝜀0
𝐶
donde la constante 𝜀0 es la permitividad del espacio libre o del vacío
𝜺𝟎 = 8.8542x10-12 [
𝑪𝟐
𝑵 𝒎𝟐
]
De este modo, la ley de Coulomb se escribe en este sistema de unidades:
𝑭𝒒𝟏 → 𝒒𝟐 =
𝒒𝟏 𝒒𝟐
𝟒𝝅𝜺𝟎 𝒓𝟐
INTERACCIONES ELECTRICAS Y GRAVITATORIAS
La ley de Coulomb para las interacciones eléctricas es muy semejante en forma a la
ley de la gravitación universal para las interacciones gravitatorias:
En ambos casos la fuerza entre dos cuerpos es inversamente al cuadrado de la
distancia que los separa; la fuerza es proporcional al producto de las cargas en el caso
de las fuerzas eléctricas, y proporcional al producto de las masas en el caso de las
fuerzas gravitatorias.
Sin embargo, existen algunas diferencias importantes entre ambas: mientras todas las
masas se atraen, las cargas eléctricas son de dos tipos (positivas y negativas), y las
fuerzas entre ellas pueden ser de atracción (si las cargas son de signo contrario) o de
repulsión (si las cargas son del mismo signo); las interacciones eléctricas son mucho
más intensas que las interacciones gravitatorias: las fuerzas eléctricas suelen ser entre
1036 y 1040 veces mayores que las fuerzas gravitatorias. De hecho, las interacciones
eléctricas son las responsables de las interacciones en átomos y moléculas, mientras
que la interacción gravitatoria resulta ser demasiado débil para justificar estas
estructuras: la interacción eléctrica es del orden de magnitud requerido para producir
el enlace entre átomos para formar moléculas, o el enlace entre electrones y protones
para formar átomos.
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SISTEMAS DE CARGAS PUNTUALES
PRINCIPIO DE SUPERPOSICION
Supongamos que tenemos un sistema de “n” cargas puntuales distribuidas en
posiciones fijas del espacio. A cada una de estas cargas se le designa por 𝑞𝑖 , donde
𝑖 = 1,2,3, … , 𝑛
Se quiere determinar la fuerza "𝐹𝑞" que este sistema de cargas puntuales ejerce sobre
una cierta carga puntual “𝑞”. Para ello aplicamos el principio de superposición.
Principio de Superposición: La fuerza total que un sistema de cargas puntuales
ejerce sobre una cierta carga “𝑞” es igual a la suma de las fuerzas que cada una de las
cargas 𝑞𝑖 del sistema ejerce sobre la carga 𝑞. Además, la fuerza individual que cada
carga ejerce sobre la carga q es la misma que si las demás cargas del sistema no
existieran:
𝐹𝑞 = 𝐹𝑞1 → 𝑞 + 𝐹𝑞2 → 𝑞 + ⋯ + 𝐹𝑞𝑛 → 𝑞
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