Fisica General Burbano

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA ELECTROSTÁTICA 397
«La carga de un sistema aislado eléctricamente permanece constante con el tiempo».
Estudiemos un ejemplo en el que se pone claramente de manifiesto este principio. Supongamos
que tenemos un sistema aislado, no puede entrar o salir carga eléctrica, pero no aislado a la
radiación gamma (partículas de masa nula y carga nula que se mueven a la velocidad de la luz: fotones).
Inicialmente la carga dentro del recinto es nula, pero puede ocurrir (y en efecto se demuestra
experimentalmente) que un fotón penetre y se «materialice» creándose un electrón (partícula
elemental de carga –e) y un positrón (partícula idéntica al electrón pero de carga + e). Aparentemente
se han creado cargas, y así es, pero la carga total del sistema continúa siendo nula. ¡Sigue
siendo cierto el principio de conservación!
Cuando frotamos una barra de vidrio con un paño ¿Hemos creado carga? Por supuesto que
no, lo que hemos hecho es arrancar cargas negativas de la barra que han quedado atrapadas en el
paño, por lo que la barra inicialmente neutra ha quedado con defecto de cargas negativas (cargada
positivamente) y el paño con un exceso de cargas negativas, en el sistema total vidrio-paño, la
carga eléctrica no se ha modificado, únicamente se ha redistribuido.
Fig. XVIII-6.– Midiendo las fuerzas,
comparamos las cargas en magnitud.
XVIII – 7. Principio cuantificacional de la carga
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Este principio establece que:
«La carga está cuantificada».
es decir: en la naturaleza existe una «mínima carga» o «quantum» de electricidad que es la carga
negativa que posee el electrón o la positiva del protón; y no se encuentran fracciones de ésta.
Consecuencia de este principio es que la carga de un cuerpo no crece o decrece de una manera
continua; es decir: a un cuerpo le podemos añadir o quitar múltiplos enteros del «cuantum de
carga» pero nunca una fracción, ya que es indivisible.*
La hipótesis hecha nos lleva a la conclusión de la existencia de una unidad natural de carga de
la que luego hablaremos.
XVIII – 8. Ley de Coulomb
«La fuerza que actúa sobre una carga puntual fija q 2
, debida a la presencia de otra carga
puntual fija q 1
, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional
al cuadrado de la distancia que las separa, está dirigida según la línea definida
por ambas cargas, y es repulsiva o atractiva según sean del mismo o distinto nombre las
dos cargas».
Matemáticamente la expresión del módulo de esta fuerza es:
K es la llamada CONSTANTE DE COULOMB, e es lo que se llama COEFICIENTE DIELÉCTRICO o PERMITIVI-
DAD, K y por tanto e, son dependientes del medio y del sistema de unidades, cuando se trata del
vacío los designaremos por K 0
y e 0
. La expresión vectorial de esta ley será:
el vector r 21
es el que define la posición de q 2
respecto de q 1
.
Si llamamos F 12
a la fuerza que q 2
ejerce sobre la carga q 1
entonces: F 21
= – F 12
, obedeciendo al
tercer principio de Newton («principio de acción y reacción») por lo que diremos que las fuerzas
electrostáticas son, newtonianas.
La ley de Coulomb fue deducida experimentalmente, su validez está plenamente confirmada
ya que la formulación que de ella se deriva describe perfectamente los hechos experimentales. La
adoptamos como uno de los principios fundamentales del electromagnetismo.
XVIII – 9. Sistema electrostático de unidades
F
21
K q 1 q 2 1 q1q2
1
= = K =
2
2
r 4 r
4
21
F
21
L O
pe
21 NM
pe Q P
= K q q
Queda caracterizado porque todas las unidades son las del sistema CGS y que la permitividad
del vacío tiene por valor: e 0
= 1/4p; la ley se expresará para el vacío, como originalmente la escribió
Coulomb:
qq′
F = r
(2)
r 3
r
1 2
3 21
r21
(1)
Fig. XVIII-7.– Al penetrar una radiación
gamma en un recinto aislado
puede ocurrir que aparezcan en él un
electrón (e – ) y un positrón (e + ).
Fig. XVIII-8.– Ley de Coulomb.
* En los temas dedicados a Electricidad, no consideraremos la posibilidad de carga fraccionaria en los quarks, partículas constituyentes
de los protones.