Ley de Coulomb
En 1784 Charles Augustin de Coulomb estudió con mucho detalle las fuerzas de atracción de partículas cargadas. Utilizó una balanza de torsión para medir la fuerza eléctrica (figura a). Para cargas puntuales, cuerpos cargados muy pequeños en comparación con la distancia r que los separa, Coulomb descubrió que la fuerza eléctrica es proporcional a 1/r2. Es decir, cuando se duplica la distancia r, la fuerza disminuye a 1/4 de su valor inicial; cuando la distancia disminuye a la mitad, la fuerza incrementa cuatro veces su valor inicial.
La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales también depende de la cantidad de carga en cada cuerpo, la que se denotará con q o Q. Para estudiar esta dependencia, Coulomb dividió una carga en dos partes iguales poniendo en contacto un conductor esférico con carga pequeño, con una esfera idéntica pero sin carga; por simetría, la carga se compartía por igual entre las dos esferas. De esa manera, él podía obtener un medio, un cuarto, etcétera, de cualquier carga inicial. Descubrió que las fuerzas que dos cargas puntuales q1 y q2 ejercían una sobre la otra eran proporcionales a cada carga, por lo que también eran proporcionales a su producto q1q2.
De ese modo, Coulomb estableció la que ahora se conoce como ley de Coulomb:
La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
En términos matemáticos, la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales, q1 y q2, separadas una distancia r, ejerce sobre la otra se expresa como:
F = k ---------------
lq1q2l
r2
donde k es una constante de proporcionalidad cuyo valor numérico depende del sistema de unidades que se emplee. En la ecuación se utiliza la notación de valor absoluto porque las cargas q1 y q2 pueden ser positivas o negativas; en tanto que la magnitud de la fuerza F siempre es positiva.
Las direcciones de las fuerzas que las dos cargas ejercen sobre la otra siempre son a lo largo de la recta que las une. Cuando las cargas q1 y q2 tienen el mismo signo, positivo o negativo, las fuerzas son de repulsión; cuando las cargas tienen signos opuestos, las fuerzas son de atracción (figura b). Las dos fuerzas obedecen la tercera ley de Newton; siempre tienen la misma magnitud y dirección opuesta, aun cuando las cargas no tengan igual magnitud.