culombio

culombio. (De coulomb) Fs. Unidad de cantidad de electricidad y carga elctrica del Sistema Internacional, equivalente a la cantidad de electricidad transportada en un segundo por una corriente de un amperio. (Smb. C).Culombio

Estndar:Unidades derivadas del Sistema Internacional

Magnitud:Carga elctrica

Smbolo:C

Nombrada por:Charles-Augustin de Coulomb

Expresada en:1 C =

Unidades bsicas del Sistema Internacional1 A s

Sistema Cegesimal de Unidades2.997.924.580 statC

Unidades naturales6.2421018 e

El culombio o coulomb (smbolo C), es la unidad derivada del sistema internacional para la medida de la magnitud fsica cantidad de electricidad (carga elctrica). Nombrada en honor del fsico francs Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806).

Se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente elctrica. Es alrededor de 6.241506 1018 veces la carga de un electrn.

Tambin puede expresarse en trminos de capacidad y voltaje, segn la relacin: obtenida directamente de la definicin de Faradio.

Definicin En principio, el culombio sera definido en trminos de carga como un electrn o carga elemental. Un coulomb equivale a 6.241 509 629 152 651018 electrones.

Mltiplos del SI. A continuacin una tabla de los mltiplos y submltiplos del Sistema Internacional de Unidades.

Mltiplos del Sistema Internacional para culombio (C)

SubmltiplosMltiplos

ValorSmboloNombreValorSmboloNombre

101 CdCdeciculombio101 CdaCdecaculombio

102 CcCcenticulombio102 ChChectoculombio

103 CmCmilliculombio103 CkCkiloculombio

106 CCmicroculombio106 CMCmegaculombio

109 CnCnanoculombio109 CGCgigaculombio

1012 CpCpicoculombio1012 CTCteraculombio

1015 CfCfemtoculombio1015 CPCpetaculombio

1018 CaCattoculombio1018 CECexaculombio

1021 CzCzeptoculombio1021 CZCzettaculombio

1024 CyCyoctoculombio1024 CYCyottaculombio

Prefijos comunes de unidades estn en negrita.

Esta unidad del Sistema Internacional es nombrada as en honor a Charles-Augustin de Coulomb. En las unidades del SI cuyo nombre proviene del nombre propio de una persona, la primera letra del smbolo se escribe con mayscula (C), en tanto que su nombre siempre empieza con una letra minscula (culombio), salvo en el caso de que inicie una frase o un ttulo.

Basado en The International System of Units, seccin 5.2.

Ley de Coulomb puede expresarse como:La magnitud de cada una de las fuerzas elctricas con que interactan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Desarrollo de la ley Coulomb desarroll la balanza de torsin con la que determin las propiedades de la fuerza electrosttica. Este instrumento consiste en una barra que cuelga de una fibra capaz de torcerse. Si la barra gira, la fibra tiende a regresarla a su posicin original, con lo que conociendo la fuerza de torsin que la fibra ejerce sobre la barra, se puede determinar la fuerza ejercida en un punto de la barra.La ley de Coulomb tambien conocida como ley de cargas tiene que ver con las cargas electricas de un material, es decir , depende de sus cargas sean negativas o positivas.

Variacin de la Fuerza de Coulomb en funcin de la distancia.

En la barra de la balanza, Coulomb coloc una pequea esfera cargada y a continuacin, a diferentes distancias, posicion otra esfera tambin cargada. Luego midi la fuerza entre ellas observando el ngulo que giraba la barra.

Dichas mediciones permitieron determinar que:

La fuerza de interaccin entre dos cargas y duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y as sucesivamente. Concluy entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/3/5/8/35825d25f2daa0a5baa274743effba69.png" \* MERGEFORMATINET

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/7/d/a/7dafc059ed3ba540862bc2376182daf0.png" \* MERGEFORMATINET y

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/3/5/8/35825d25f2daa0a5baa274743effba69.png" \* MERGEFORMATINET

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/b/9/3/b93bed28c05389635d0bc14ac96b7b5b.png" \* MERGEFORMATINET , en consecuencia:

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/3/5/8/35825d25f2daa0a5baa274743effba69.png" \* MERGEFORMATINET

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/f/0/3/f03c8ff4e25079cb4dabcc820b7d6e8f.png" \* MERGEFORMATINET . Si la distancia entre las cargas es , al duplicarla, la fuerza de interaccin disminuye en un factor de 4 (2); al triplicarla, disminuye en un factor de 9 (3) y al cuadriplicar , la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16 (4). En consecuencia, la fuerza de interaccin entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/3/5/8/35825d25f2daa0a5baa274743effba69.png" \* MERGEFORMATINET

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/5/e/9/5e93e1e7c1ed85e49a372b285253bec1.png" \* MERGEFORMATINET Asociando ambas relaciones:

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/3/5/8/35825d25f2daa0a5baa274743effba69.png" \* MERGEFORMATINET

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/3/4/f/34f5bfaf80bd492e8b9d5cea51f0b880.png" \* MERGEFORMATINET Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relacin anterior en una igualdad:Enunciado de la ley La ley de Coulomb es vlida slo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximacin cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrosttica.

En trminos matemticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como: Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vaco, se atraen o repelen entre s con una fuerza cuya magnitud est dada por: La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales: donde es un vector unitario que va en la direccin de la recta que une las cargas, siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga que la experimenta.

Al aplicar esta frmula en un ejercicio ,se debe colocar el signo de las cargas q1 o q2 ,segn sean stas positivas o negativas.

El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy en da, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la forma , entonces .

Representacin grfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

Obsrvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica que fuerzas de igual magnitud actan sobre y . La ley de Coulomb es una ecuacin vectorial e incluye el hecho de que la fuerza acta a lo largo de la lnea de unin entre las cargas.

Constante de Coulomb La constante es la Constante de Coulomb y su valor para unidades SI es N

HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Metro_cuadrado" \o "Metro cuadrado" m/C.

A su vez la constante donde es la permitividad relativa, , y

HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Faradio" \o "Faradio" F/m es la permitividad del medio en el vaco.

Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vaco hay que tener en cuenta la constante dielctrica y la permitividad del material.

La ecuacin de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la siguiente manera: La constante, si las unidades de las cargas se encuentran en Coulomb es la siguiente K = 9 * 109 * N * m2 / C2 y su resultado ser en sistema MKS (N / C) En cambio, si la unidad de las cargas estn en UES (q), la constante se expresa de la siguiente forma K = d * m2 / ues(q) y su resultado estara en las unidades CGS (D / UES(q))

Verificacin experimental de la Ley de Coulomb Es posible verificar la ley de Coulomb mediante un experimento sencillo.

Considrense dos pequeas esferas de masa "m" cargadas con cargas iguales que del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica en la figura.

Sobre cada esfera actan tres fuerzas: el peso mg, la tensin de la cuerda T y la fuerza de repulsin elctrica entre las bolitas .

En el equilibrio: (1) y (2).

Dividiendo (1) entre (2) miembro a miembro, se obtiene: Siendo la separacin de equilibrio entre las esferas cargadas, la fuerza de repulsin entre ellas, vale, de acuerdo con la ley de Coulomb: y, por lo tanto, se cumple la siguiente igualdad: (3)

Al descargar una de las esferas y ponerla, a continuacin, en contacto con la esfera cargada , cada una de ellas adquiere una carga q/2, en el equilibrio su separacin ser y la fuerza de repulsn entre las mismas estar dada por: Por estar en equilibrio, tal como se dedujo ms arriba: .

Y de modo similar se obtiene: (4)

Dividiendo (3) entre (4), miembro a miembro, se llega a la siguiente igualdad: (5)

Midiendo los ngulos y y las separaciones entre las cargas y es posible verificar que la igualdad se cumple dentro del error experimental.

En la prctica, los ngulos pueden resultar difciles de medir, as que si la longitud de los hilos que sostienen las esferas son lo suficientemente largos, los ngulos resultarn lo bastante pequeos como para hacer la siguiente aproximacin: Con esta aproximacin, la relacin (5) se transforma en otra mucho ms simple:

INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/7/c/e/7cef359a7cd4a5f6a3be9d150a4a14e0.png" \* MERGEFORMATINET De esta forma, la verificacin se reduce a medir la separacin entre cargas y comprobar que su cociente se aproxima al valor indicado.

Comparacin entre la Ley de Coulomb y la Ley de la Gravitacin Universal Esta comparacin es relevante ya que ambas leyes dictan el comportamiento de dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza mediante expresiones matemticas cuya similitud es notoria.

La ley de la gravitacin universal establece que la fuerza de atraccin entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Expresndolo matemticamente: siendo la constante de gravitacin universal, y las masas de los cuerpos en cuestin y r la distancia entre los centros de las masas. vale 6,6710-11 N

HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Metro_cuadrado" \o "Metro cuadrado" m2/kg2.

A pesar del chocante parecido en las expresiones de ambas leyes se encuentran dos diferencias insoslayables.

La primera es que en el caso de la gravedad no se han podido observar masas de diferente signo como sucede en el caso de las cargas elctricas, y la fuerza entre masas siempre es atractiva.

La segunda tiene que ver con los rdenes de magnitud de la fuerza de gravedad y de la fuerza elctrica. Para aclararlo analizaremos como actan ambas entre un protn y un electrn en el ncleo de hidrgeno.

La separacin promedio entre el electrn y el protn es de 5,310-11 m.

La carga del electrn y la del protn valen y respectivamente y sus masas son y .

Sustituyendo los datos: .

Al comparar resultados se observa que la fuerza elctrica es de unos 39 rdenes de magnitud superior a la fuerza gravitacional.

Lo que esto representa puede ser ilustrado mediante un ejemplo muy llamativo.

1 C equivale a la carga que pasa en 1 s por cualquier punto de un conductor por el que circula una corriente de intensidad 1 A constante. En viviendas con tensiones de 220 Vrms, esto equivale a un segundo de una bombilla de 220 W (120 W para las instalaciones domsticas de 120 Vrms).

Si fuera posible concentrar la mencionada carga en dos puntos con una separacin de 1 metro, la fuerza de interaccin sera:

, o sea, 916 millones de kilopondios, o el peso de una masa de casi un milln de toneladas (un teragramo)!

Si tales cargas se pudieran concentrar de la forma indicada ms arriba, se alejaran bajo la influencia de esta enorme fuerza, aunque tuvieran que arrancarse del acero slido para hacerlo!

Si de esta hipottica disposicin de cargas resultan fuerzas tan enormes, por qu no se observan despliegues dramticos debidos a las fuerzas elctricas? La respuesta general es que en un punto dado de cualquier conductor nunca hay demasiado alejamiento de la neutralidad elctrica. La naturaleza nunca acumula un Coulomb de carga en un punto.

Limitaciones de la Ley de Coulomb

La expresin matemtica solo es aplicable a cargas puntuales estacionarias.

La fuerza no est definida para r = o.

Carga elctrica

Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza.

En fsica, la carga elctrica es una propiedad intrnseca de algunas partculas subatmicas (prdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnticas entre ellas. La materia cargada elctricamente es influida por los campos electromagnticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interaccin entre carga y campo elctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interaccin electromagntica.

La carga elctrica es de naturaleza discreta, fenmeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones histricas, a los electrones se les asign carga negativa: 1, tambin expresada e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: 1/3 o 2/3, aunque no se han podido observar libres en la naturaleza.[1]Unidades. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga elctrica se denomina culombio (smbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la seccin transversal de un conductor elctrico en un segundo, cuando la corriente elctrica es de un amperio, y se corresponde con la carga de 6,241018 electrones aproximadamente.Historia del electromagnetismo Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar mbar con una piel, sta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y plumas pequeas. Su descubrimiento se le atribuye al filsofo griego Tales de Mileto, quin vivi hace unos 2500 aos.[2]El mdico ingls William Gilbert (1540 - 1603) observ que algunos materiales se comportan como el mbar al frotarlos y que la atraccin que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al mbar es elektron, Gilbert comenz a utilizar el trmino elctrico para referirse a todo material que se comportaba como aqul, lo que origin los trminos electricidad y carga elctrica. Adems, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciacin de los fenmenos elctricos y magnticos.[2]El descubrimiento de la atraccin y repulsin de elementos al conectarlos con materiales elctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin Franklin quin al estudiar estos fenmenos descubri como la electricidad de los cuerpos, despus de ser frotados, se distribua en ciertos lugares donde haba ms atraccin; por eso los denomin (+) y (-).[2]Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrlisis que realiz Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relacin entre la electricidad y la materia; acompaado de la completa descripcin de los fenmenos electromagnticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrn y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.[2]Naturaleza de la carga La carga elctrica es una propiedad intrnseca de la materia que se presenta de dos tipos. stas llevan ahora el nombre con las que Benjamin Franklin las denomin: cargas positivas y negativas.[3] Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Con el advenimiento de la teora cuntica relativista, se pudo demostrar formalmente que las partculas, adems de presentar carga elctrica (sea nula o no), presentan un momento magnetico intrnseco, denominado "spin", que surge como consecuencia de aplicar la teora de la relatividad especial a la mecnica cuntica.

Carga elctrica elemental Las investigaciones actuales de la fsica apuntan a que la carga elctrica es una propiedad cuantizada. La unidad ms elemental de carga se encontr que es la carga que tiene el electrn, es decir alrededor de 1.6 x 10-19 culombios y es conocida como carga elemental. El valor de la carga elctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide segn el nmero de electrones que posea en exceso o en ausencia.[4]En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga elctrica se denomina culombio (smbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9x109 N.

Un culombio corresponde a 6,241018 electrones.[5] El valor de la carga del electrn fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con la ltima lista de constantes del CODATA publicada es:[6]

Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan tambin sus submltiplos:

1 miliculombio = 1 microculombio = Frecuentemente se usa tambin el sistema CGS cuya unidad de carga elctrica es el Franklin (Fr). El valor de la carga elemental es entonces de aproximadamente 4.803 x 1010 Fr.

Propiedades de las cargas (Principio de conservacin de la carga). En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservacin de la carga establece que no hay destruccin ni creacin neta de carga elctrica, y afirma que en todo proceso electromagntico la carga total de un sistema aislado se conserva.

En un proceso de electrizacin, el nmero total de protones y electrones no se altera y slo hay una separacin de las cargas elctricas. Por tanto, no hay destruccin ni creacin de carga elctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas elctricas donde antes no haba, pero siempre lo harn de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Adems esta conservacin es local, ocurre en cualquier regin del espacio por pequea que sea.[3]Al igual que las otras leyes de conservacin, la conservacin de la carga elctrica est asociada a una simetra del lagrangiano, llamada en fsica cuntica invariancia gauge. As por el teorema de Noether a cada simetra del lagrangiano asociada a un grupo uniparamtrico de transformaciones que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una magnitud conservada.[7] La conservacin de la carga implica, al igual que la conservacin de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuacin de continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga elctrica con la divergencia del vector densidad de corriente elctrica, dicha ecuacin expresa que el cambio neto en la densidad de carga dentro de un volumen prefijado V es igual a la integral de la densidad de corriente elctrica J sobre la superficie S que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente elctrica I: Esta propiedad se conoce como cuantizacin de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga elctrica que posee el electrn y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista fsicamente, puede escribirse como siendo N un nmero entero, positivo o negativo. Por convencin se representa a la carga del electrn como -e, para el protn +e y para el neutrn, 0. La fsica de partculas postula que la carga de los quarks, partculas que componen a protones y neutrones Aunque no tenemos una explicacin suficientemente completa de porqu la carga es una magnitud cuantizada, que slo puede aparecer en mltiplos de la carga elemental, se han propuestos diversas ideas:

Paul Dirac mostr que si existe un monopolo magntico la carga elctrica debe estar cuantizada.

En el contexto de la teora de Kaluza-Klein, Oskar Klein encontr que si se interpretaba el campo electromagntico como un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topologa , entonces la compacidad de comportara que el momento lineal segn la quinta dimensin estara cuantizado y de ah se segua la cuantizacin de la carga.

La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya que el modelo estndar no aclara porqu las cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y slo pueden ser libres cargas que son mltiplos enteros de la carga elemental.

Invariante relativista. Otra propiedad de la carga elctrica es que es un invariante relativista. Eso quiere decir que todos los observadores, sin importar su estado de movimiento y su velocidad, podrn siempre medir la misma cantidad de carga.[4] As, a diferencia de la masa o el tiempo, cuando un cuerpo o partcula se mueve a velocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variar. El valor de la carga no vara de acuerdo a cun rpido se mueva el cuerpo que la posea.Densidad de carga elctrica. A pesar de que las cargas elctricas son cuantizadas y, por ende, mltiplos de una carga elemental, en ocasiones las cargas elctricas en un cuerpo estn tan cercanas entre s, que se puede suponer que estn distribuidas de manera uniforme por el cuerpo del cual forman parte. La caracterstica principal de estos cuerpos es que se los puede estudiar como s fueran continuos, lo que hace mas fcil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se distinguen tres tipos de densidad de carga elctrica: lineal, superficial y volumtrica.[8]Densidad de carga lineal. Se usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos. Donde Q es la carga del cuerpo y L es la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en C/m (culombios por metro).

Densidad de carga superficial. Se emplea para superficies, por ejemplo una plancha metlica delgada como el papel de aluminio. donde Q es la carga del cuerpo y S es la superficie. En el SI se mide en C/m2 (culombios por metro cuadrado).

Densidad de carga volumtrica. Se emplea para cuerpos que tienen volumen. donde Q es la carga del cuerpo y V el volumen. En el SI se mide en C/m3 (culombios por metro cbico).

Formas para cambiar la carga elctrica de los cuerposElectrizacin. Se denomina electrizacin al efecto de ganar o perder cargas elctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo elctricamente neutro. Los tipos de electrificacin son los siguientes:

1. Electrizacin por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y as el conductor queda cargado, positivamente si cedi electrones o negativamente si los gan.

2. Electrizacin por friccin: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas.

3. Carga por induccin: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsin entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte ms alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la regin ms cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atraccin entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

4. Carga por el Efecto Fotoelctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiacin electromagntica.

5. Carga por Electrlisis.

6. Carga por Efecto Termoelctrico: Significa producir electricidad por la accin del calor.