Ley de Coulomb

Té cni cn i cas ca s de alt al t a ten t ensi sión ón

INTRODUCCION Aun cuando los fenómenos electrostáticos fundamentales eran ya conocidos en la época de Charles Coulomb (1736-1806), no se conocía aún la proporción en la que esas fuerzas de atracción y repulsión variaban. Fue este físico francés quien, tras poner a punto un método de medida de fuerzas sensible a pequeñas magnitudes, lo aplicó al estudio de las interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga eléctrica. El resultado final de esta investigación experimental fue la ley que lleva su nombre y que describe las características de las fuerzas de interacción entre cuerpos cargados. Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb Según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas. Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q' y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10-9 Nm2/C2.

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Té cnicas de alta tensión

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN. LEY DE COULOMB 1. LEY DE COULOMB 1.1. DEFINICIÓN DE LA LEY DE COULOMB Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Es decir: Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que les rodea. Matemáticamente se expresa:

En donde: F = Fuerza electrostática entre cargas puntual es Newton (N) q1 = q2 = Cargas puntuales Coulomb (C) r = Distancia de separación entre las cargas puntuales Metros (m) K = Constante electrostática

2. BALANZA DE TORSIÓN La balanza de torsión es un aparatito muy simple. Consiste de una barra que cuelga de un hilo que puede torcerse. Si la barra gira, el hilo tiende a regresarla a su posición original. Cuando llegamos a conocer la fuerza de torsión que el alambre ejerce sobre la barra, tenemos un mecanismo muy sensible para medir fuerzas. Podemos, por ejemplo, colocar 2


una partícula cargada en uno de los extremos de la barra y acercarle un imán u otra carga. Con este dispositivo tan sencillo se han hecho tres experimentos de gran importancia en la historia de la física.1 Charles Coulomb, ingeniero militar francés, inventó la balanza de torsión en 1777, y puso este delicado instrumento al servicio de la electricidad. Coulomb buscaba mejorar la brújula de los marinos y para ello experimentaba con cargas eléctricas. Colocó una pequeña esfera cargada en la barra de la balanza y luego, a diferentes distancias, otra esferita igualmente cargada. Entonces midió la fuerza entre ellas, fijándose en el ángulo en que la barra giraba. Así encontró en 1785 la ley que rige la fuerza entre dos cargas eléctricas, ley que llamamos de Coulomb en su honor, y que afirma que la fuerza es proporcional al producto de las cargas y disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellas. Como en la naturaleza existen dos tipos de cargas, que por convención llamamos positivas y negativas, la ley de Coulomb nos dice también que cargas iguales se repelen y las de signo contrario se atraen. Además, la fuerza eléctrica es, como toda fuerza, un vector que tiene dirección; ésta apunta a lo largo de la línea que une las dos cargas.

3. PREFIJOS UTILIZADOS EN LA LEY DE COULOMB Recuerda que en la Ley de Coulomb se utilizan los prefijos griegos para facilitar la representación numérica de las cargas eléctricas. También se utilizarán los Múltiplos en el tema “Ley de Ohm”. A continuación se enlista su significado.

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4. INTERACCIONES Y TIPOS DE INTERACCIONES La interacción electromagnética es la interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica. Macroscópicamente y fijado un observador suele separarse en dos tipos de interacciones: 

Interacción electrostática: Actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador.



Interacción magnética: Actúa solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador.

Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil. Las características de la interacción eléctrica en el vacío entre dos cargas eléctricas “puntuales”, son: 1. La interacción es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas eléctricas q y q'. 2. La interacción es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación entre las dos cargas eléctricas. 3. La interacción ocurre sobre la línea que une a las dos cargas eléctricas. 4. La interacción es atractiva si las cargas eléctricas son de tipos distintos, y es repulsiva si las cargas eléctricas son del mismo tipo.

5. FUERZAS QUE INTERVIENEN EN LA INTERACCION DE CARGAS ELECTRICAS En la física moderna se consideran cuatro campos de f uerzas como origen de todas las interacciones fundamentales: 

Interacción gravitatoria o Gravitación: Transmitida por el gravitón (partícula por el momento solo teórica). Esta fuerza es de poca importancia respecto a las demás cuando se consideran partículas fundamentales aisladas y por el momento ha sido imposible de incluir en las teorías cuánticas, sin embargo es la fuerza más evidente 4


y la primera que fué observada, definida y modelizada matemáticamente. Es de un solo signo (es siempre atractiva) y de alcance infinito. 

Interacción electromagnética: Transmitida por fotones. La sufren todas las partículas con carga eléctrica y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Esta fuerza tiene dos signos (atractiva y repulsiva). Su alcance es también infinito.

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Interacción nuclear fuerte: Transmitida por los gluones. Es la que hace que los quarks se unan para formar mesones y bariones (nucleones).. Esta fuerza es solo atractiva, manteniendo unidos los nucleones a pesar de la fuerza electromagnética (nula o repulsiva en el interior de los núcleos). Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares y es más intensa que la fuerza electromagnética.



Interacción nuclear débil: Transmitida por los bosones W y Z. Es la responsable de la desintegración β (beta). Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es menor que el de la interacción nuclear fuerte. Al igual que la fuerza fuerte y la gravitatoria es esta una fuerza únicamente atractiva.

La interacción electromagnética y la interacción nuclear débil según el Modelo estándar de física de partículas son manifestaciones a energías ordinarias de una única interacción: la interacción electrodébil. El proceso por el cual esta única fuerza se separa en dos distintas se denomina ruptura de simetría electrodébil. Este modelo unifica las fuerzas electromagnética, fuerte y débil. Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático.

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El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E.

6. LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE PROPORCIONALIDAD EN LA LEY DE COULOMB En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos. Los dieléctricos resisten más que el aire, por lo que se les puede aplicar un voltaje mayor sin que la carga atraviese el espacio entre las placas. Las moléculas del dieléctrico pueden ser polares, es decir, aunque las moléculas sean neutras, los electrones pueden no estar distribuidos de manera uniforme, de modo que una parte de la molécula es positiva y la otra negativa. Aún si las moléculas no son polares, el campo eléctrico entre las placas inducirá una separación de las carga en las moléculas. Aunque los electrones no abandonen las moléculas, se moverán ligeramente dentro de ellas hacia la carga positiva. El efecto neto en ambos casos es igual que si hubiera una carga negativa neta en la cara externa del dieléctrico que mira a la carga positiva y una carga neta positiva en la cara opuesta.

=

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Tabla N° 1 Material

(F/m)

(Nm²/C²)

Vacío

1

8,85·10-12

8,99·109

Parafina

2,1-2,2

1,90·10-11

4,16·109

Mica

6-7

5,76·10-11

1,38·109

Papel parafinado

2,2

1,95·10-11

4,09·109

Poliestireno

1,05

9,30·10-12

8,56·109

Baquelita

3,8-5

3,90·10-11

2,04·109

C-irbolito

3-5

3,54·10-11

2,25·109

Vidrio orgánico

3,2-3,6

3,01·10-11

2,64·109

Vidrio

5,5-10

6,86·10-11

1,16·109

Aire

1,0006

8,86·10-12

8,98·109

Mármol

7,5-10

7,75·10-11

1,03·109

Ebonita

2,5-3

2,43·10-11

3,27·109

Porcelana

5,5-6,5

5,31·10-11

1,50·109

Micalex

7-9

7,08·10-11

1,12·109

Micarta A y B

7-8

6,64·10-11

1,20·109

Batista barnizada

3,5-5

3,76·10-11

2,11·109

Goma en hojas

2,6-3,5

2,70·10-11

2,95·109

Poliestireno

2,7

2,39·10-11

3,33·109

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7. CONCLUSIONES 





Hay dos tipos de carga eléctrica, la positiva y la negativa, si en un proceso se produce una cierta cantidad de un tipo de carga, también se produce una cantidad igual del tipo opuesto, ya sea en el mismo cuerpo o en uno diferente, la carga neta que se produce es cero. Un objeto puede cargarse eléctricamente mediante frotamiento durante el cual los electrones son transferidos de un material a otro; por conducción que es la transferencia de carga por el contacto de un objeto cargado con otro, o por inducción que es la separación de la carga dentro de un objeto, debido a la aproximación, sin contacto de otro objeto cargado. Es de relevancia tener en cuenta, y puede verificarse experimentalmente, que solamente la carga negativa se puede mover. La carga positiva es inmóvil y únicamente los electrones libres son los responsables del transporte de ca rga. A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

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BIBLIOGRAFIA.   

Técnicas de alta tensión – Justo Yanque Montufar Técnicas de alta tensión - Hiberto Enriquez Harper Halliday/Resnick - Física, tomo II, pp. 125,126. 2006,

Páginas web.    

https://www.ucursos.cl/usuario/9553d43f5ccbf1cca06cc02562b4005e/mi_blog/r/Be nguria.pdf http://www.paginasprodigy.com.mx/elprofeglez/elprofe/tareas/fisica3/t1f3.pdf http://joaquinmagnotsalcedotorres.files.wordpress.com/2010/03/ley-de-coulomb.pdf http://html.rincondelvago.com/ley-de-coulomb_3.html

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