Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Ley de Coulomb


La ley de Coulomb es un principio fundamental de la electrostática, una rama del electromagnetismo. Esta ley describe la fuerza entre dos partículas cargadas estacionarias. Es esencial para comprender el comportamiento de las cargas eléctricas en el universo. Nombrada en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb, quien publicó por primera vez esta ley en 1785, esta desempeña un papel similar al de la ley de gravitación universal de Newton, pero en términos eléctricos.

¿Qué es la ley de Coulomb?

La ley de Coulomb establece que la magnitud de la fuerza electrostática de interacción entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. La fuerza también está dirigida a lo largo de la línea que une las dos cargas.

F = k * |q1 * q2| / r²

Dónde:

  • F es la magnitud de la fuerza entre las cargas.
  • k es la constante de Coulomb, aproximadamente 8.9875 × 10⁹ N m²/C².
  • q1 y q2 son las cantidades de cargas.
  • r es la distancia entre los centros de las dos cargas.

Entendiendo la fórmula

La fórmula expresa que la fuerza aumenta con el aumento en los valores de carga y disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellas. Esta relación inversamente cuadrada es común en física, como se ve en la fuerza de gravedad.

Dirección de la fuerza

La ley de Coulomb indica no solo la magnitud de la fuerza sino también la dirección. Si las cargas son ambas positivas o ambas negativas, se repelen entre sí. Si una carga es positiva y la otra negativa, se atraen entre sí.

Ejemplo visual

Considere dos partículas cargadas Q1 y Q2 separadas por una distancia r:

Q1 Q2 R

Si las cargas de Q1 y Q2 son iguales, entonces las fuerzas que actúan sobre cada carga están dirigidas lejos entre sí. Si sus cargas son opuestas, entonces las fuerzas están dirigidas una hacia la otra.

Un ejemplo del mundo real

Suponga que tiene dos globos esféricos frotados en un suéter. Cada globo se carga debido a la transferencia de electrones cuando entran en contacto con el suéter y entre ellos. Imagine los globos con cargas Q1 y Q2. Si se acercan entre ellos, notará una fuerza entre ellos, que es una manifestación de la ley de Coulomb.

Unidad de carga

La unidad estándar de carga es el culombio (C). Un culombio es aproximadamente igual a la carga de 6.242 × 10¹⁸ electrones. La carga está cuantizada, lo que significa que existe en paquetes discretos, y la carga de los electrones es uno de esos paquetes.

Importancia de la constante de Coulomb

La constante k, conocida como la constante de Coulomb, representa la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales en un vacío de espacio libre. Su valor puede variar dependiendo del medio donde se encuentran las cargas. Por ejemplo, el agua y el vidrio tienen propiedades dieléctricas que pueden reducir el valor efectivo de k.

Naturaleza vectorial de la fuerza electrostática

La ley de Coulomb a menudo se expresa en forma vectorial para indicar la dirección y magnitud de la fuerza. La forma vectorial puede ser particularmente útil al calcular fuerzas en espacios tridimensionales.

F = k * q1 * q2 * (r / r³)

Dónde F representa el vector de la fuerza, y r es el vector que separa las dos cargas. La división por r³ asegura que el componente direccional cuidadoso se considere junto con la distancia.

Principio de superposición

Cuando hay múltiples cargas presentes, la fuerza electrostática total sobre una carga particular es la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por todas las otras cargas. Esta propiedad aditiva es conocida como el principio de superposición.

Ejemplo con múltiples cargas

Imagine que tres partículas cargadas Q1, Q2 y Q3 están presentes en un espacio:

Q1 Q2 Q3

Las fuerzas sobre Q1 debido a Q2 (F 12) y Q3 (F 13) deben sumarse vectorialmente para encontrar la fuerza neta sobre Q1.

F 1 = F 12 + F 13

Limitaciones de la ley de Coulomb

La ley de Coulomb supone cargas puntuales, lo que significa que es más precisa cuando los tamaños de los cuerpos cargados son despreciables en comparación con la distancia entre ellos. Si esta condición no se cumple, pueden ser necesarios métodos más avanzados que impliquen teoría de campos. La ley tampoco se aplica con precisión a cargas móviles, donde los efectos magnéticos se vuelven importantes.

Contexto histórico

Investigaciones sobre la naturaleza de las fuerzas eléctricas se llevaron a cabo antes de la ley de Coulomb e involucraron a muchos otros luminares, como Benjamin Franklin y Michael Faraday. El trabajo de Coulomb ayudó a formalizar y cuantificar observaciones experimentales anteriores en un marco matemático coherente.

Importancia en la física moderna

La ley de Coulomb subyace en gran parte de la teoría eléctrica moderna, sirviendo como piedra angular para el desarrollo del potencial eléctrico, campos eléctricos y mucho más. Es importante en los campos de la química y la física atómica, donde describe las fuerzas en la configuración electrónica alrededor de los átomos.

Combinando enfoques clásicos y cuánticos

En mecánica cuántica, las fuerzas a menudo se calculan en términos de campos y sus potenciales, pero los principios de la ley de Coulomb persisten al explicar fuerzas a escala atómica. Por ejemplo, las interacciones entre electrones en orbitales atómicos y protones en el núcleo pueden analizarse usando la forma cuántica de la ley de Coulomb.

Resumen

La ley de Coulomb es un marco simple pero integral que gobierna las interacciones electrostáticas entre partículas cargadas. Su forma matemática tiene aplicabilidad universal en todas las escalas, desde partículas subatómicas hasta objetos macroscópicos. Sus principios sentaron la base para gran parte de la física clásica y moderna de hoy en día.


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