Acerca del proyecto
Para entender a profundidad los conceptos de electrónica, debemos entender lo que el Coulomb descubrió con su experimento, para ello vamos a explicar cual fue la máquina que ideo para realizar las medidas y deducciones y luego vamos a estudiar cual fue el resultado y como logro crear la ley que hoy lleva su nombre.
Conocimiento previo
Para realizar este proyecto se requiere conocimiento previo de los siguientes temas, si aun no has trabajado con lo que se menciona en la siguiente tabla, allí están los links a los post para que puedas dar un repaso adicional o puedas recordar el conocimiento necesario para poder realizar este proyecto.
| Fundamentos de electricidad y magnetismo | En este artículo se expondrán los temas de fundamentos de electricidad y magnetismo, donde estudiáremos estos fenómenos físicos para poder entender cada uno de los conceptos básicos. |
| Átomo | Un conocimiento básico de los conceptos fundamental de la corriente y el voltaje requiere cierto grado de familiaridad con el átomo y su estructura.. |
| Fuerza y campo eléctrico | Conocer los conocimientos base de la electricidad y electrónica nos lleva a explorar el átomo y su comportamiento y de como podemos cargar elementos positiva y negativamente. |
| Sistemas de unidades | En este post exponemos las unidades de medidas del sistema internacional, lo referenciamos para que conozca el estándar de medidas con que se rige la física. |
Balanza de torsión
Antes de analizar la ley de Coulomb, estudiemos y entendamos cual fue la máquina y experimento que uso para medir la fuerza entre cargas.
La construcción de la balanza de torsión como se observa en la siguiente imagen. En el interior de un gran recipiente de vidrio hay una palanca de vidrio suspendida de un hilo fino; en uno de los extremos de la palanca se coloca una esfera metálica (A) y en el otro, un contrapeso. Una segunda esfera metálica (B) se fija a una varilla (soporte de vidrio). Desde el exterior se pueden comunicar cargas eléctricas a ambas esferas, cargas que se retienen por cierto tiempo, ya que las esferas están aisladas una de la otra y de los cuerpos que la rodean.[1]
La distancia entre las esferas A y B se puede variar girando la cabeza de la balanza a la cual se fija el hilo que mantiene a la palanca con la esfera A. Al comunicarles cargas a las esferas A y B, éstas comienzan a atraerse o a repelerse (según el signo de las cargas), con lo cual la palanca con la esfera A gira cierto ángulo. Haciendo girar la cabeza de la balanza se puede hacer volver la esfera A a la posición inicial, en cuyo caso el momento de torsión del hilo será igual al momento de la fuerza eléctrica aplicada a la esfera A. Si el hilo se ha graduado de antemano, se puede determinar directamente, según el ángulo de giro de la cabeza, el momento de la fuerza,y sabiendo la longitud de la palanca, se puede calcular la fuerza de acción recíproca de las esferas.
El razonamiento que hizo Coulomb fue el siguiente, se generalizan las propiedades de la fuerza eléctrica (algunas veces llamada fuerza electrostática) entre dos partículas cargadas estacionarias. Para ello se usa el término carga puntual, que hace referencia a una partícula con carga de tamaño cero. El comportamiento eléctrico de electrones y protones queda muy bien descrito si se representan como cargas puntuales. Debido a observaciones experimentales es posible encontrar que la magnitud de una fuerza eléctrica (a veces llamada fuerza de Coulomb) entre dos cargas puntuales está dada por la ley de Coulomb.[2]
Ley de coulomb
La ley matemática por la que se repelan las cargas semejantes y se atraen cargas opuestas fue formulada en 1785 por Charles Augustin de Coulomb y se llama ley de Coulomb. Mediante la balanza explicada anteriormente pudo diagramar la siguiente situación: dos bolas separadas cuyo centro se hallan separados por una distancia r portan cargas +q1 y -q2, después de varios experimentos Coulomb concluyó que la fuerza sobre la esfera uno varia con el producto de sus cargas y era inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que la separaba.[3]
Donde ke es una constante conocida como constante de Coulomb.
De acuerdo con la ley de newton de la acción y la reacción, la fuerza sobre la esfera dos era idéntica en magnitud, pero de dirección opuesta. La ley de coulomb solo se aplica a cargas puntuales, si las cargas tiene una extensión grande, no pueden definirse fácilmente la distancia r entre ellas.
Unidad de medida
Para expresar la ley de coulomb debemos elegir una unidad de medida para las cargas. Se define la unidad de carga en función de la corriente eléctrica, por lo tanto la unidad de carga correspondiente al sistema internacional es el coulomb. representado por la letra ce mayúscula (C).
Empleando la ley de coulomb podemos escribir la fórmula como:
Donde f esta expresada en newtons y r en metros, la constante de proporcionalidad k se determina experimentalmente y tiene valor de cuando el experimento se efectúa en el vació, o bien en el aire con el cual se obtiene una buena aproximación.
Referencias
[1] Física principios de electricidad y magnetismo ISBN 978-958-761-283-7, Consultado Noviembre 2019
[2] Física electricidad y magnetismo Raymond A. Serway y John W.Jewett ISBN: 978-1-133-95414-9, Consultado Noviembre 2019
[3] Fundamentos de física F. Bueche ISBN 0-07-008867-5, Consultado Noviembre 2019