La Ley de Coulomb y Fundamentos de la Electricidad

La Ley de Coulomb: Principios y Fórmulas

La fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (q1 y q2) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa.

Fórmulas Clave de la Ley de Coulomb

La fórmula principal es:

F = K * (q1 * q2) / r²

Donde:

• F es la fuerza eléctrica (en Newtons, N).
• K es la constante de Coulomb (aproximadamente 9 x 10⁹ N·m²/C²).
• q1 y q2 son las magnitudes de las cargas eléctricas (en Coulombs, C).
• r es la distancia entre las cargas (en metros, m).

De esta fórmula se pueden derivar otras para calcular cargas o distancias:

• Para calcular una carga (ej. q1): q1 = (F * r²) / (K * q2)
• Para calcular la distancia (r): r = sqrt((K * q1 * q2) / F)

Conceptos Fundamentales de la Electricidad

La electricidad es una manifestación de energía y, para su estudio, se divide en las siguientes ramas:

• Electrostática: Estudia las cargas eléctricas en reposo.
• Electrodinámica: Estudia las cargas eléctricas en movimiento.
• Electromagnetismo: Estudia la relación entre las corrientes eléctricas y el campo magnético.

Naturaleza de la Carga Eléctrica

Toda materia se compone de átomos, y estos, de partículas elementales como electrones, protones y neutrones.

Los electrones y protones tienen una propiedad fundamental llamada carga eléctrica. El principio fundamental de la electricidad establece que cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen.

Métodos de Electrización

Los cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones. Los principales métodos son:

• Frotamiento: Produce pequeñas chispas eléctricas, como sucede después de caminar por una alfombra y tocar un objeto metálico o a otra persona.
• Contacto: Se origina cuando un cuerpo saturado de electrones cede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto.
• Inducción: Se presenta cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado, sin necesidad de contacto directo.

Potencial Eléctrico

Toda carga eléctrica, positiva o negativa, posee una energía potencial eléctrica debido a su capacidad para realizar trabajo sobre otras cargas.

El potencial eléctrico (V) en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo (T) que se necesita realizar para transportar la unidad de carga (q) desde el potencial cero hasta el punto considerado.

Fórmulas del Potencial Eléctrico

V = T / q

O también:

V = EP / q

Donde:

• V es el potencial eléctrico (en Voltios, V).
• T es el trabajo realizado (en Joules, J).
• EP es la energía potencial eléctrica (en Joules, J).
• q es la magnitud de la carga (en Coulombs, C).

Intensidad de Corriente Eléctrica

La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo.

La unidad empleada para medir la intensidad es el Ampere (A).

Fórmula de la Intensidad de Corriente

I = q / t

Donde:

• I es la intensidad de corriente (en Amperes, A).
• q es la carga eléctrica (en Coulombs, C).
• t es el tiempo (en segundos, s).

Resistencia Eléctrica

Todos los materiales presentan cierta oposición al flujo de electrones o a las corrientes eléctricas.

La resistencia eléctrica (R) es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente.

Fórmula de la Resistencia Eléctrica

R = ρ * (L / A)

Donde:

• R es la resistencia (en Ohmios, Ω).
• ρ (rho) es la resistividad del material (en Ohm-metro, Ω·m).
• L es la longitud del conductor (en metros, m).
• A es el área de la sección transversal del conductor (en metros cuadrados, m²).

Ley de Ohm

George Simon Ohm, físico y profesor alemán, utilizó sus instrumentos para experimentar y observó que si aumenta la diferencia de potencial en un circuito, mayor es la intensidad de corriente. También comprobó que al incrementar la resistencia, disminuye la intensidad de corriente eléctrica.

La Ley de Ohm establece que la intensidad de corriente que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del conductor.

Fórmulas de la Ley de Ohm

I = V / R

De esta fórmula se pueden derivar:

• Para calcular la resistencia: R = V / I
• Para calcular el voltaje (diferencia de potencial): V = I * R

Donde:

• I es la intensidad de corriente (en Amperes, A).
• V es la diferencia de potencial o voltaje (en Voltios, V).
• R es la resistencia (en Ohmios, Ω).

Circuitos Eléctricos

Un circuito eléctrico es un sistema en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial.

Un foco conectado a una pila por medio de un conductor es un ejemplo de un circuito básico.

El circuito eléctrico está cerrado cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema, y está abierto cuando no circula por él.

Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo o de forma mixta.

Circuitos en Serie

Cuando las resistencias se conectan en serie, se unen por sus extremos una a continuación de la otra, de tal manera que la intensidad de corriente que pasa por una es la misma en todas ellas. Por lo tanto, si se interrumpe en una, se interrumpe en las otras.

Fórmulas para Circuitos en Serie

• Resistencia equivalente (total): Re = R1 + R2 + R3 + ...
• Intensidad de corriente total: I_total = V_total / Re
• Voltaje en cada resistencia:
  • V1 = I * R1
  • V2 = I * R2
  • V3 = I * R3
  • …y así sucesivamente.

Circuitos en Paralelo

Cuando las resistencias se conectan en paralelo, sus terminales se unen en dos puntos comunes que se enlazan a la fuente de energía o voltaje.

En este tipo de conexión, la corriente eléctrica se divide en cada una de las ramas o derivaciones del circuito, y dependerá del número de resistencias que se conecten. Si una resistencia se desconecta, las demás seguirán funcionando.

Respecto al voltaje aplicado en cada resistencia, su valor es igual para cada una de ellas (V_total = V1 = V2 = V3 = ...).

Fórmulas para Circuitos en Paralelo

• Resistencia equivalente (total): 1/Re = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
• Intensidad de corriente en cada rama:
  • I1 = V / R1
  • I2 = V / R2
  • I3 = V / R3
  • …y así sucesivamente.
• Intensidad de corriente total: I_total = I1 + I2 + I3 + ... (o I_total = V_total / Re)