Fuerza
eléctrica y Ley de Coulomb
Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza
eléctrica. Dicha fuerza se ve afectada por varios factores, como el valor de las cargas y de la distancia que
las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas
cpn signos iguales se distancian o repelen entre sí, mientras que las de signos
iguales se atraen unas a otras.
Muchos científicos estuvieron interesados en el
funcionamiento de estas cargas eléctricas, y estudiaron dio fenómeno, pero quien
tuvo mayor avance en dicho tema fue Charles-Augustin de Coulomb, que desarrolló
un método practico para poder medir las fuerzas que producían las cargas
eléctricas.
La ley de Coulomb lleva el nombre de este notable físico
francés por que fue uno de sus descubridores y el primero en publicarlo. Sin embargo,
Henry Cavendish obtuvo la expresión correcta de la ley, con mayor precisión que
Coulomb, pero esto solamente se supo hasta después de su muerte.
Coulomb efectuó mediciones muy cuidadosas de las fuerzas
existentes entre cargas puntuales utilizando una balanza de torsión similar a
la usada por Cavendish para evaluar la ley de la gravitación universal.
La balanza de torsión consiste en una barra que cuelga de
una fibra. Esta fibra es capaz de torcerse, y si la barra gira la fibra tiende
a regresarla a su posición original. Si se conoce la fuerza de torsión que la
fibra ejerce sobre la barra, se logra un método sensible para medir fuerzas.
En la barra de la balanza, Coulomb, colocó una pequeña
esfera cargada y, a continuación, a diferentes distancias, posicionó otra
esferita con carga de igual magnitud. Luego midió la fuerza entre ellas
observando el ángulo que giraba la barra.
La ley de Coulomb es válida sólo 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
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
d se expresa como:
La ley de coulomb se puede resumir en el siguiente enunciado:
"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que
interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de
las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa."
La ley fundamental (ley de Coulomb) es como la ley de
gravedad (el inverso de la distancia al cuadrado) pero puede haber repulsión
además de atracción.
Para comprobar esta ley, podemos tomar un ejemplo sencillo,
en el cual podemos cargar un cuerpo para así producir un campo eléctrico en el
mismo, es el caso de un globo, que al ser frotado contra una superficie como la
lana, puede atraer pequeños pedazos de papel y adherirlos a la superficie del
mismo.
Campo Eléctrico para una carga puntual
Para tener un concepto mas sencillo
de campo eléctrico, es mejor imaginar
que cada uno de los cuerpos cargados modifica las propiedades del espacio que
lo rodea con su sola presencia. Supongamos, que solamente está presente la
carga Q, después de haber retirado la carga q del punto P. Se dice que la carga
Q crea un campo eléctrico en el punto P. Al volver a poner la carga q en el
punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo
eléctrico creado por la carga Q.
En la figura se muestra el campo
en el punto P producido por una carga Q positiva y negativa respectivamente.
Potencial eléctrico por una carga puntual
Del mismo modo que hemos definido
el campo eléctrico, el potencial es una propiedad del punto P del espacio que
rodea la carga Q, que definimos como la energía potencial de la unidad de carga
positiva imaginariamente situada en P. El potencial es una magnitud escalar.
El potencial eléctrico o
potencial electrostático en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo
electrostático para mover una carga positiva desde dicho punto hasta el punto
de referencia, 1 dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma,
es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga
positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en
contra de la fuerza eléctrica a velocidad constante. Matemáticamente se expresa
por:
El potencial eléctrico sólo se
puede definir unívocamente para un campo estático producido por cargas que
ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe recurrirse
a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo
electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las
perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la
velocidad de la luz.
Nota: Los potenciales de Liénard-Wiechert describen campos electromagnéticos
de una distribución de cargas en movimiento en términos del potencial vectorial
y el potencial escalar. Obtenidas directamente de las ecuaciones de Maxwell,
estos potenciales describen completamente y de forma relativista el campo
electromagnético variable en el tiempo de una carga puntual en movimiento
arbitrario pero sin considerar fenómenos mecano-cuánticos. Se puede obtener a
partir de estos potenciales la radiación electromagnética en forma ondulatoria.
|
