Fundamentos de la Ley de Coulomb y el Campo Eléctrico

Ley de Coulomb

Ley de Coulomb: La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La ley de Coulomb es válida solo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación, cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrostática.

El módulo de esta fuerza vale: F = K · Q · q / r²

El valor de la constante de proporcionalidad K depende del sistema de unidades elegido y del medio interpuesto entre las cargas. No es, por tanto, una constante universal. Si las cargas están en el vacío y se emplea el Sistema Internacional (SI), la constante vale: K = 9 · 10⁹ N m² C⁻².

Físicamente, esta constante representa la fuerza con que se repelerían dos cargas de un culombio cada una situada a un metro de distancia. Observa el valor tan elevado que tiene: equivale aproximadamente al peso de 15 millones de personas.

Para determinar la dirección y el sentido de la fuerza de interacción electrostática entre dos cargas se utiliza el vector direccional u_r. Este vector unitario tiene la misma dirección que el segmento que une las cargas y su sentido es hacia fuera.

Unidad de carga

El culombio: Se define como la cantidad de carga eléctrica que fluye a través de la sección de un conductor durante un segundo cuando la intensidad de la corriente que pasa por él es de un amperio.

Campo eléctrico

Toda carga Q modifica las propiedades del espacio que la rodea, originando una perturbación capaz de actuar sobre otras cargas. Se dice que en esa región del espacio existe un campo eléctrico creado por la carga Q. Como el campo eléctrico es un campo de fuerza conservativo, tendremos también una energía potencial para cada punto del campo.

Intensidad del campo eléctrico en un punto

La intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza que ejerce el campo sobre una carga de un culombio en ese punto. Su expresión matemática es: Ê = F / q, lo que se traduce en Ê = K · (Q / r²) · û_r.

Principio de superposición

Cuando tenemos una serie de cargas situadas en varios puntos, la intensidad del campo eléctrico en un punto debido a ese sistema de cargas es igual a la suma de intensidades de los campos debidos a cada una de ellas.

Líneas de fuerza

Como el campo eléctrico es un campo de fuerzas, se representa gráficamente mediante las llamadas líneas de fuerza. Estas líneas salen siempre de las cargas positivas (+) y terminan en las cargas negativas (-).

Potencial en un punto del campo eléctrico

Energía Potencial (E_p): El potencial en un punto es la energía potencial que tiene un culombio colocado en ese punto: V = E_p / q.

Energía Potencial eléctrica asociada a un sistema de cargas puntuales

Si V₁ es el potencial eléctrico debido a la carga Q₁ en el punto P, entonces el trabajo necesario para llevar una carga Q₂ desde el infinito hasta el punto P es V₁ · Q₂. Por definición, este trabajo es igual a la energía potencial del sistema de dos cargas puntuales cuando están separadas a una distancia r_1,2: E_{p sistema} = U = Q₂ · V₁ = K · Q₁ · Q₂ / r_1,2.