La llei de Coulomb és una llei que defineix la força exercida per un camp elèctric sobre una càrrega elèctrica. Aquesta és la força que actua entre objectes carregats elèctricament, i està definida operativament pel valor de la interacció entre dues càrregues elèctriques puntuals estacionàries al buit.
La llei de Coulomb estableix: "La força elèctrica d'atracció o repulsió entre dues càrregues és inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa entre elles."
Aquesta força es diu força de Coulomb i va ser descrita per En física, la força de Coulomb, descrita per Charles-Augustin de Coulomb.
Charles-Augustin de Coulomb va inventar la balança de torsió per mesurar l'atracció magnètica i elèctrica. Aquest instrument és capaç de mesurar el parell resultant de l'aplicació d'una o més forces als braços.
Definició de la llei de Coulomb
La llei de Coulomb estableix que la força d'interacció entre dues càrregues elèctriques puntuals és directament proporcional al producte de les magnituds de les càrregues i inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa. Aquesta força és atractiva si les càrregues són de signe oposat i repulsiva si són del mateix signe.
La llei descriu com les càrregues elèctriques exerceixen una influència mútua a través de l'espai, i és fonamental en la teoria electromagnètica.
Fórmula matemàtica
La força de Coulomb es pot calcular mitjançant la següent equació:
On:
-
F és la força de Coulomb expressada a Newtons (N).
-
q 1 és la primera càrrega puntual expressada a Coulombs (C).
-
q 2 és la segona càrrega puntual (C).
-
r és la distància entre dues càrregues puntuals expressada en metres (m).
-
k C és una constant electrostàtica el valor de la qual és aproximadament 8,988 × 10 9 N·m 2 ·C -2
Totes les variables descrites en aquesta definició corresponen al sistema internacional dunitats.
Si el signe de la força és positiu, significa que la força és de repulsió. Si, per contra, és negatiu, la força és d'atracció.
De la fórmula podem extreure diverses conclusions que la força és directament proporcional al producte de les càrregues elèctriques q 1 iq 2
Exemples de la llei de Coulomb
La llei de Coulomb s'aplica sempre que hi intervenen càrregues elèctriques i camps elèctrics. Alguns exemples a la vida quotidiana són:
- Electroimants Un electroimant genera una força magnètica quan circula un corrent elèctric a través d'un filferro enrotllat al voltant d'un nucli ferromagnètic. La interacció entre les càrregues elèctriques en moviment dins del conductor i el camp magnètic resultant segueix els principis de la llei de Coulomb, ja que les càrregues dins del conductor s'atreuen o repel·leixen segons els signes i la distància relativa entre elles.
Motors elèctrics : En els motors elèctrics, la força que impulsa el moviment prové de la interacció entre càrregues elèctriques dins dels camps magnètics. Aquesta interacció es pot entendre a través de la llei de Coulomb, ja que les càrregues dins de les bobines del motor interactuen amb altres càrregues al rotor i l'estator, generant un parell motor que provoca el moviment.- Càrregues electrostàtiques en un globus : Si freguem un globus contra un jersei de llana, alguns electrons es transfereixen del jersei al globus, carregant-lo negativament. Aquesta acumulació de càrrega fa que el globus exerceixi una força d'atracció sobre objectes amb càrrega oposada, com ara els àtoms del sostre. A causa de la llei de Coulomb, l'excés d'electrons al globus genera una atracció cap als protons dels àtoms al sostre, cosa que permet que el globus s'adhereixi temporalment a la superfície. Aquest fenomen és un exemple de com les forces electrostàtiques actuen al món macroscòpic.
- Espurnes elèctriques En un dia sec, quan una persona camina sobre una catifa i després toca una superfície metàl·lica, pot experimentar una petita descàrrega elèctrica. Això passa perquè, en caminar, s'acumulen càrregues de diferents signes a la roba o al cos, creant un desequilibri. La llei de Coulomb explica l'acumulació de càrregues i l'alliberament posterior d'energia en forma d'espurna quan es restableix l'equilibri elèctric entre el cos i l'objecte metàl·lic.
- Raig : Durant una tempesta elèctrica, s'acumulen càrregues de diferents signes als núvols. Quan la diferència de càrrega és prou gran, es produeix una descàrrega elèctrica en forma de llamp. Aquest fenomen és una manifestació de la llei de Coulomb, ja que les càrregues oposades entre el núvol i el terra s'atreuen amb una gran força.
- Càrrega electrostàtica a la roba : Quan freguem un suèter de llana o sintètic contra la nostra roba, els electrons es transfereixen, creant una càrrega electrostàtica. Això de vegades fa que la roba s'enganxi a la pell o que hi hagi petites espurnes quan toquem una maneta metàl·lica. Això passa perquè les càrregues elèctriques estan interactuant d'acord amb la llei de Coulomb.
- Interacció entre partícules de pols i superfícies carregades : En llocs secs o quan freguem certs materials, hi pot haver acumulació de càrregues estàtiques. Això fa que petites partícules de pols s'adhereixin a superfícies carregades, com ara la pantalla d'un telèfon o una pantalla de televisió, mostrant com les càrregues oposades atrauen les partícules carregades.
- Electrodomèstics i pantalles tàctils : Els dispositius electrònics com els telèfons mòbils i les pantalles tàctils funcionen gràcies a la interacció de càrregues elèctriques. Per exemple, en tocar una pantalla capacitiva, els electrons del teu dit interactuen amb els sensors del dispositiu, cosa que genera una resposta a la pantalla, tot això regit per la llei de Coulomb.
Exercici sobre l'aplicació de la llei de Coulomb
Determineu la força elèctrica entre dues esferes carregades de 1 μC cadascuna, col·locades a una distància de 1.0 cm.
Realització de l'exercici
Es col·loquen dues càrregues elèctriques puntuals a una distància de 1 cm entre si.
Volem determinar la força elèctrica que sestableix entre les dues càrregues elèctriques, sabent que cada càrrega té una intensitat igual a 1 μC.
Apliquem la llei de Coulomb directament :
En el qual:
Q 1 = Q 2 = Q = 1 μC = 10 -6 C.
r = 1,0 cm = 10 -2 m
En reemplaçar la fórmula tenim:
F= 8.988 · 10 9 · (10 -6 · 10 -6 ) / 10 -2 = 89,88 N