Carga Eléctrica y Ley de Coulomb: Fundamentos y Aplicaciones
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Carga Eléctrica y Ley de Coulomb
La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de la interacción electromagnética. Tiene las siguientes propiedades:
- Puede ser positiva o negativa.
- La carga total de un conjunto de partículas es la suma algebraica con el signo de sus cargas individuales.
- La carga eléctrica total de un sistema aislado se conserva.
- La carga está “cuantizada”: solamente se presenta en cantidades discretas que son múltiplos enteros de una cantidad elemental: |e| = 1.6·10-19 C. La carga del electrón es -|e| y la del protón +|e|.
La unidad de carga en el SI es el Culombio (C).
Ley de Coulomb
La ley de Coulomb describe la interacción entre cargas eléctricas en reposo. La ley dice que: La fuerza ejercida por una carga puntual q1 sobre otra q2 es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, r, que las separa. Se trata de una fuerza central dirigida según la línea que une las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos.
Matemáticamente:
F = k * (q1 * q2) / r2 * r̂
donde r̂ es el vector unitario que va de q1 a q2. La constante de proporcionalidad se denomina “constante de Coulomb” y su valor es:
K = 9·109 N m2/C2, donde ε0 es la permitividad o constante dieléctrica del vacío. En otros medios que no sean el vacío, la constante tiene otros valores.
La carga q2 ejerce sobre q1 una fuerza igual y de sentido contrario a la que q1 realiza sobre q2. Las fuerzas electrostáticas cumplen el principio de superposición: la fuerza neta que ejerce un conjunto de cargas sobre otra es la suma vectorial de todas las fuerzas ejercidas sobre ella.
Principio de Huygens
Se trata de un mecanismo sencillo para la construcción de frentes de ondas a partir de frentes en instantes anteriores. Un frente de ondas es cada una de las superficies que pasan por los puntos donde una onda oscila con la misma fase.
El principio dice que: Los puntos situados en un frente de ondas se convierten en fuentes de ondas secundarias, cuya envolvente constituye un nuevo frente de ondas primario.
La forma de aplicarlo es la siguiente: se trazan pequeños semicírculos de igual radio con centros en diferentes puntos de un frente de ondas, y luego se traza la envolvente de los semicírculos, la cual constituye el nuevo frente de ondas. La figura muestra un ejemplo de aplicación a un frente de ondas esférico y otro ejemplo para explicar la difracción de un frente de ondas plano producida por un obstáculo.
Una consecuencia del principio de Huygens es que todos los rayos tardan el mismo tiempo entre dos frentes de onda consecutivos. Los rayos son líneas perpendiculares a los frentes de onda que indican la dirección de propagación de la onda.
Aunque Huygens lo formuló para las ondas materiales, que eran las únicas conocidas en su época, su principio es válido para todo tipo de ondas.