LEY DE COULOMB. CARGAS ELECTRICAS

UNIVERSIDAD GRAN MARISCAL DE AYACUCHO
ESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO MENCION INDUSTRIAL
LEY DE COULOMB. CARGAS ELECTRICAS
Investigado por:
Lilicar Hernández
CIUDAD BOLIVAR, MARZO DE 2007
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INDICE
PÁG.
INTRODUCCION……………………………………………………………………3
MARCO TEORICO:
Interacciones de Cargas Eléctricas
y Tipos de Interacciones de Cargas Eléctricas…………………………….…….4
Fuerzas que intervienen en la Interacción de
Cargas eléctricas……………………………………………………………………..5
Las Constante Dieléctrica de Proporcionalidad en la
Ley de Coulomb………………………………………………………………………..7
Enunciado de la Ley de Coulomb………………………………………..…………..9
CONCLUSIONES…………………………………………………………………….11
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….12
3
INTRODUCCION
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o
repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de
acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga
eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos
partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb
Según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre
el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K
depende del medio que rodea a las cargas.
Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de
atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas
dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa)
es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las
que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida
vale 9·10-9 Nm2/C2.
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MARCO TEORICO
INTERACCIONES Y TIPOS DE INTERACCIONES
La interacción electromagnética es la interacción que ocurre entre las
partículas con carga eléctrica. Macroscópicamente y fijado un observador suele
separarse en dos tipos de interacciones:

Interacción electrostática: Actúa sobre cuerpos cargados en reposo
respecto al observador.

Interacción magnética: Actúa solamente sobre cargas en movimiento
respecto al observador.
Las
mediante
partículas
el
fundamentales
intercambio
de
fotones
interactúan
entre
electromagnéticamente
partículas
cargadas.
La
electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta
interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el
modelo electrodébil.
Las características de la interacción eléctrica en el vacío entre dos cargas
eléctricas “puntuales”, son:
1)
La interacción es directamente proporcional al producto de las
magnitudes de las cargas eléctricas q y q’;
2)
La interacción es inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia de separación entre las dos cargas eléctricas;
3)
La interacción ocurre sobre la línea que une a las dos cargas
eléctricas; y,
4)
La interacción es atractiva si las cargas eléctricas son de tipos
distintos, y es repulsiva si las cargas eléctricas son del mismo tipo.
Estas
características de la interacción entre dos cargas puntuales
expuestas anteriormente se conocen como Ley de Coulomb. Consideremos a
dos cargas puntuales como se muestra en la figura 2, con r la posición de la
carga eléctrica de magnitud q, y r’ la posición de la carga eléctrica de magnitud q’,
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entonces una formulación adecuada para la Ley de Coulomb que indica la fuerza
eléctrica sobre la carga q debida a la presencia de la carga q’, es:
qq '
F k
r  r'
2
 r  r'

 r  r '

,

siendo ║r – r’║ la distancia de separación entre las dos cargas; y, k una constante
de proporcionalidad
Interacción Electrostática. Ley de Coulomb
Ley de Coulomb: El valor de la fuerza con que se atraen o se repelen dos
cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de dichas
cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
o bien
Valor de k:
Culombio: cantidad de carga eléctrica que fluye a través de la sección de un
conductor durante un segundo cuando la corriente es de un amperio.
FUERZAS QUE INTERVIENEN EN LA INTERACCION DE CARGAS
ELECTRICAS
En la física moderna se consideran cuatro campos de fuerzas como
origen de todas las interacciones fundamentales:

Interacción gravitatoria o Gravitación: Transmitida por el gravitón
(partícula por el momento solo teórica). Esta fuerza es de poca
importancia respecto a las demás cuando se consideran partículas
fundamentales aisladas y por el momento ha sido imposible de incluir en
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las teorías cuánticas, sin embargo es la fuerza más evidente y la primera
que fué observada, definida y modelizada matemáticamente. Es de un
solo signo (es siempre atractiva) y de alcance infinito.

Interacción electromagnética: Transmitida por fotones. La sufren todas
las partículas con carga eléctrica y es la fuerza involucrada en las
transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Esta fuerza
tiene dos signos (atractiva y repulsiva). Su alcance es también infinito.

Interacción nuclear fuerte: Transmitida por los gluones. Es la que hace
que los quarks se unan para formar mesones y bariones (nucleones)..
Esta fuerza es solo atractiva, manteniendo unidos los nucleones a pesar
de la fuerza electromagnética (nula o repulsiva en el interior de los
núcleos). Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares y es
más intensa que la fuerza electromagnética.

Interacción nuclear débil: Transmitida por los bosones W y Z. Es la
responsable de la desintegración β (beta). Su intensidad es menor que
la de la fuerza electromagnética y su alcance es menor que el de la
interacción nuclear fuerte. Al igual que la fuerza fuerte y la gravitatoria es
esta una fuerza únicamente atractiva.
La interacción electromagnética y la interacción nuclear débil según el
Modelo estándar de física de partículas son manifestaciones a energías
ordinarias de una única interacción: la interacción electrodébil. El proceso por el
cual esta única fuerza se separa en dos distintas se denomina ruptura de
simetría electrodébil. Este modelo unifica las fuerzas electromagnética, fuerte y
débil.
Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer
su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas
fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de
este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en
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términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el
espacio
que
les
rodea.
La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado
de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas
éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos
de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea
la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo
de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que
la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo
gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de
campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático.
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de
cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así,
si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo
eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la
aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre
ella.
La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce
sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe
el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por
tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud
vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido. En lo
que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E.
LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE PROPORCIONALIDAD EN LA
LEY DE COULOMB
En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los
cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En
consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible
el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son
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denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son
ejemplos típicos.
Los dieléctricos resisten más que el aire, por lo que se les puede aplicar
un voltaje mayor sin que la carga atraviese el espacio entre las placas.
Las moléculas del dieléctrico pueden ser polares, es decir, aunque las
moléculas sean neutras, los electrones
pueden no estar distribuidos de
manera uniforme, de modo que una parte de la molécula es positiva y la otra
negativa. Aún si las moléculas no son polares, el campo eléctrico entre las
placas inducirá una separación de las carga en las moléculas. Aunque los
electrones no abandonen las moléculas, se moverán ligeramente dentro de
ellas hacia la carga positiva. El efecto neto en ambos casos es igual que si
hubiera una carga negativa neta en la cara externa del dieléctrico que mira a la
carga positiva y una carga neta positiva en la cara opuesta.
La constante
es
es la Constante de Coulomb y su valor para unidades SI
Nm²/C².
A su vez la constante
,y
donde
es la permitividad relativa,
F/m es la permitividad del medio en el vacío.
Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en
cuenta la constante dieléctrica y la permitividad del material.
Algunos valores son:
Material
(F/m)
(Nm²/C²)
Vacío
1
8,85·10-12 8,99·109
Parafina
2,1-2,2
1,90·10-11 4,16·109
Mica
6-7
5,76·10-11 1,38·109
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Papel parafinado 2,2
1,95·10-11 4,09·109
Poliestireno
1,05
9,30·10-12 8,56·109
Baquelita
3,8-5
3,90·10-11 2,04·109
C-irbolito
3-5
3,54·10-11 2,25·109
Vidrio orgánico
3,2-3,6
3,01·10-11 2,64·109
Vidrio
5,5-10
6,86·10-11 1,16·109
Aire
1,0006
8,86·10-12 8,98·109
Mármol
7,5-10
7,75·10-11 1,03·109
Ebonita
2,5-3
2,43·10-11 3,27·109
Porcelana
5,5-6,5
5,31·10-11 1,50·109
Micalex
7-9
7,08·10-11 1,12·109
Micarta A y B
7-8
6,64·10-11 1,20·109
Batista barnizada 3,5-5
3,76·10-11 2,11·109
Goma en hojas
2,6-3,5
2,70·10-11 2,95·109
Poliestireno
2,7
2,39·10-11 3,33·109
La ecuación de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la
siguiente manera:
ENUNCIADO DE LA LEY DE COULOMB
El enunciado que describe la ley de Coulomb es el siguiente:
"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan
dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las
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cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa."
Esta ley es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no
hay movimiento de las cargas o, como aproximación, el movimiento se realiza a
velocidades bajas y trayectorias rectilíneas uniformes. Se le llama a esta
Fuerza Electrostática. La parte Electro proviene de que se trata de fuerzas
eléctricas y estática debido a la ausencia de movimiento de las cargas.
En términos matemáticos, la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos
cargas puntuales q1 y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia r se
expresa como:
Dadas dos cargas puntuales q1 y q2 separadas una distancia r en el vacío, se
atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud esta dada por:
f=k q1 q2/d2
La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:
donde
es un vector unitario que va en la dirección de la recta que une las
cargas, siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga
que la experimenta.
El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se
sabe hoy en día, exactamente . Experimentalmente se sabe que, si el
exponente fuera de la forma
, entonces
.
11
CONCLUSIONES
Hay dos tipos de carga eléctrica, la positiva y la negativa, si en un
proceso se produce una cierta cantidad de un tipo de carga,
también se
produce una cantidad igual del tipo opuesto, ya sea en el mismo cuerpo o en
uno diferente, la carga neta que se produce es cero. Un objeto puede cargarse
eléctricamente mediante frotamiento durante el cual los electrones son
transferidos de un material a otro; por conducción que es la transferencia de
carga por el contacto de un objeto cargado con otro, o por inducción que es la
separación de la carga dentro de un objeto, debido a la aproximación, sin
contacto de otro objeto cargado.
Es
de
relevancia
tener
en
cuenta,
y
puede
verificarse
experimentalmente, que solamente la carga negativa se puede mover. La carga
positiva es inmóvil y únicamente los electrones libres son los responsables del
transporte de carga.
A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una
conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se
trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica
en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.
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BIBLIOGRAFIA
GIANCOLI Douglas C. FISICA. PRINCIPIOS CON APLICACIONES. PrenticeHall Hispanoamericana, S.A. México, 1997
Internet:
www.monografías.com
www.rincondelvago.com
www.juntadeandalucia.es/averroes/iesarroyo/fisica/particula.htm#Interacciones