Marco Teórico: Ley de Coulomb
Formulada por Charles-Augustin de Coulomb en 1785, es la ley fundamental de la electrostática. Establece que la magnitud de la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
- F (Fuerza): Es la magnitud vectorial de atracción o repulsión (Newtons, N).
- k (Constante): Depende del medio. En el vacío es $9 \times 10^9 \, \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$.
- q₁, q₂ (Cargas): Magnitud de las cargas interactuantes (Coulombs, C).
- r (Distancia): Separación física entre ambas cargas (metros, m).
Modelo Atómico
(Interacción Base de Cargas)
La Fórmula Matemática
* Nota: No se utiliza valor absoluto en las cargas para preservar el signo algebraico resultante.
Ejercicio de Muestra Paso a Paso
Problema: Calcula la fuerza resultante entre dos cargas eléctricas de q₁ = 4 µC y q₂ = 5 µC, separadas por una distancia de r = 3 m.
Paso 1: Convertir microCoulombs (µC) a Coulombs (C).
q₁ = 4 × 10⁻⁶ C
q₂ = 5 × 10⁻⁶ C
Paso 2: Reemplazar en la fórmula general.
F = (9 × 10⁹) · [ (4 × 10⁻⁶) · (5 × 10⁻⁶) ] / (3)²
Paso 3: Resolver el producto de las cargas y la distancia al cuadrado.
F = (9 × 10⁹) · [ 20 × 10⁻¹² ] / 9
Paso 4: Simplificar y calcular el resultado final.
F = (180 × 10⁻³) / 9
F = +0.020 N (REPULSIÓN, por ser positivo)
Simulador Interactivo de Coulomb
Fuerza Resultante (F):
Distancia (r):
Rincón Práctico
Calcula la fuerza si colocamos q₁ = 5 µC, q₂ = -3 µC a una distancia de r = 2 m. Usa el simulador para comprobar.
F = (9×10⁹ · (5×10⁻⁶ · -3×10⁻⁶)) / 2²
F = -0.034 N (Atracción)
¿A qué distancia colocar cargas de -2 µC y -8 µC para obtener una fuerza de +0.144 N?
Despejando r: r = √(k·(q₁·q₂) / F)
r = √(9×10⁹ · 16×10⁻¹² / 0.144) = 1.000 m.
Coloca q₁ = 8 µC y q₂ = 4 µC. Acerca la distancia hasta 0.5 m. ¿Cuál es el valor de la fuerza?
Distancia: 0.5 m = 50.000 cm.
Fuerza: +1.152 N (Repulsión).
Aplicaciones de la Ley de Coulomb en Electrónica
Capacitores
Almacenan energía manteniendo cargas opuestas separadas por un dieléctrico. La inmensa fuerza de atracción electrostática entre ellas evita que la energía se pierda.
Transistores MOSFET
La carga en la terminal Compuerta (Gate) ejerce una fuerte atracción electrostática a través de un aislamiento de óxido nanométrico, reuniendo portadores de carga para encender el canal conductor en los procesadores.
Pantallas Táctiles
Al acercar el dedo (que es conductor) a la pantalla, se altera la distancia 'r' y la distribución electrostática en la matriz capacitiva de la pantalla, lo que el sistema interpreta como un toque.
Memorias SSD / Flash
Los electrones inyectados en una "compuerta flotante" quedan atrapados. Su campo electrostático (repulsión) altera el voltaje de funcionamiento de la celda, almacenando un bit '0' o '1' sin necesidad de energía constante.
Simulador: Botella de Leyden
Experimenta con el primer dispositivo de almacenamiento electrostático. Descubre por qué, si la tensión es 0V, es físicamente imposible acumular cargas o producir una chispa.