Carga eléctrica, ley de Coulomb y campo eléctrico

Si frotas un globo contra tu cabello, el globo atrae los cabellos y se pega a la pared. Detrás de este juego está una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: la fuerza eléctrica. En esta clase verás cómo se cuantifica.

La carga eléctrica

La materia está formada por átomos con protones (carga positiva), electrones (carga negativa) y neutrones (sin carga). Normalmente un cuerpo tiene tantos protones como electrones y es neutro. Si gana electrones, queda cargado negativamente; si los pierde, positivamente.

• Ley de las cargas: cargas del mismo signo se repelen; de signo contrario se atraen.
• Unidad: el coulomb (C). Como es una unidad muy grande, se usan el microcoulomb ($1\ \mu\text{C} = 10^{-6}$ C) y el nanocoulomb ($1\ \text{nC} = 10^{-9}$ C).
• La carga del electrón es $e = -1.6\times10^{-19}$ C.
• Conservación de la carga: la carga no se crea ni se destruye; solo pasa de un cuerpo a otro.

Formas de electrizar un cuerpo

Conductores y aislantes

• Conductores: permiten que las cargas se muevan libremente (metales como cobre, plata y aluminio; el agua con sales).
• Aislantes o dieléctricos: no lo permiten (plástico, vidrio, hule, madera seca).
• Semiconductores: conducen en ciertas condiciones (silicio, germanio); son la base de la electrónica.

Ley de Coulomb

La fuerza entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

$$F = k\,\frac{q_1\,q_2}{r^2} \qquad k = 9\times10^{9}\ \text{N·m}^2/\text{C}^2$$

Observa que tiene la misma forma que la ley de la gravitación universal, pero la fuerza eléctrica puede ser de atracción o de repulsión y es muchísimo más intensa.

Ejemplo: dos cargas de $2\ \mu\text{C}$ y $3\ \mu\text{C}$ están separadas 0.3 m.

$$F = (9\times10^9)\,\frac{(2\times10^{-6})(3\times10^{-6})}{(0.3)^2} = \frac{(9\times10^9)(6\times10^{-12})}{0.09} = 0.6\ \text{N}$$

Como ambas son positivas, la fuerza es de repulsión. Si la distancia se duplicara, la fuerza se reduciría a la cuarta parte.

Campo eléctrico

Una carga modifica el espacio que la rodea: crea un campo eléctrico. Cualquier otra carga que se coloque ahí sentirá una fuerza. El campo se define como la fuerza por unidad de carga:

$$E = \frac{F}{q} \qquad (\text{unidad: N/C})$$

El campo producido por una carga puntual $Q$ a una distancia $r$ es:

$$E = k\,\frac{Q}{r^2}$$

Ejemplo: el campo a 0.2 m de una carga de $4\ \mu\text{C}$:

$$E = \frac{(9\times10^9)(4\times10^{-6})}{(0.2)^2} = \frac{36\times10^3}{0.04} = 9\times10^5\ \text{N/C}$$

Líneas de campo

Se dibujan saliendo de las cargas positivas y entrando a las negativas. Donde están más juntas, el campo es más intenso.

Comprueba lo aprendido

1. Al frotar una barra de vidrio con seda, el vidrio queda positivo. ¿Qué carga queda en la seda?Ver respuestaOcultar respuesta

Negativa: la seda ganó los electrones que perdió el vidrio.

2. Si la distancia entre dos cargas se reduce a la mitad, ¿qué pasa con la fuerza entre ellas?Ver respuestaOcultar respuesta

Se cuadruplica, porque depende del inverso del cuadrado de la distancia.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos de electromagnetismo

Referencias

• Tippens, P. E. (2011). Física: conceptos y aplicaciones (7.ª ed.). McGraw-Hill.
• Serway, R. A. y Jewett, J. W. (2018). Física para ciencias e ingeniería (10.ª ed.). Cengage Learning.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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