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.

Fuentes:    -Fisicalab.com    -Wikibooks.org    -Wikipedia.com