Electromagnetismo y electricidad

Aprende electromagnetismo y electricidad con guías sobre carga eléctrica, circuitos, ley de Ohm, campo eléctrico y magnetismo, acompañadas de ejemplos prácticos, problemas resueltos y simulaciones interactivas para fortalecer tus conocimientos.

20 problemas resueltos paso a paso de: Ley de Coulomb

por
Ley de Coulomb
Al frotar un globo en el cabello estás aplicando la ley de coulomb

¿Por qué dos globos frotados con lana se repelen entre sí sin siquiera tocarse? Seguramente alguna vez frotaste un globo contra tu cabello y lo viste «pegarse» a la pared, o notaste cómo tu ropa recién salida de la secadora se te adhiere al cuerpo. Ese fenómeno, que parece magia, tiene una explicación física precisa: la fuerza eléctrica que existe entre partículas cargadas. Charles-Augustin de Coulomb fue quien, en 1785, logró medir y describir matemáticamente esa fuerza, dando origen a la Ley de Coulomb, uno de los pilares de la electrostática y de toda la física moderna.

Esta ley no solo explica los globos y la ropa: es la razón por la que los átomos se mantienen unidos, por la que funcionan los circuitos electrónicos de tu teléfono y por la que existen enlaces químicos. Entender la Ley de Coulomb es el primer paso para comprender la electricidad, el magnetismo y buena parte de la química.

2. Terminología clave

  1. Carga eléctrica (q): propiedad fundamental de la materia que determina cómo interactúa con los campos eléctricos y magnéticos. Ejemplo: un electrón tiene carga negativa.
  1. Fuerza electrostática (F): interacción de atracción o repulsión entre cargas en reposo. Ejemplo: la atracción entre un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno.
Atracción de cargas eléctricas
Atracción de cargas eléctricas.
  1. Constante de Coulomb (k): constante de proporcionalidad de la ley, con valor aproximado de 8.99 × 109 N·m2/C2. Ejemplo: aparece en toda fórmula de fuerza entre cargas puntuales.
  1. Permitividad del vacío (ε0): magnitud que describe qué tan fácil es que un campo eléctrico se establezca en el vacío. Ejemplo: relacionada con k mediante k = 1/(4πε0).
  1. Distancia de separación (r): distancia entre los centros de las dos cargas puntuales. Ejemplo: al duplicar r, la fuerza se reduce a la cuarta parte.
  1. Carga puntual: modelo idealizado de un objeto cargado cuyas dimensiones son despreciables frente a la distancia de interacción. Ejemplo: un electrón se trata casi siempre como carga puntual.
  1. Vector unitario (r̂): vector de magnitud 1 que indica la dirección de la línea que une dos cargas. Ejemplo: se usa para escribir la Ley de Coulomb en forma vectorial.
  1. Principio de superposición: cuando varias cargas actúan sobre una carga de prueba, la fuerza neta es la suma vectorial de las fuerzas individuales. Ejemplo: calcular la fuerza total sobre un ion rodeado de varias cargas.
  1. Coulomb (C): unidad del Sistema Internacional para la carga eléctrica. Ejemplo: la carga de un electrón es de −1.6 × 10-19 C.

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3. La ley de Coulomb

3.1 ¿Qué es la Ley de Coulomb?

La Ley de Coulomb describe la fuerza de atracción o repulsión que existe entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo. Charles-Augustin de Coulomb la formuló tras experimentar con una balanza de torsión, un instrumento tan sensible que le permitió medir fuerzas eléctricas extremadamente pequeñas.

La ley establece que:

  • La fuerza es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las dos cargas.
  • La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
  • La fuerza actúa a lo largo de la línea recta que une ambas cargas.
  • Si las cargas tienen el mismo signo, se repelen; si tienen signos opuestos, se atraen.
$$F = k\dfrac{|q_1 \cdot q_2|}{r^2}$$

Donde:

  • F es la magnitud de la fuerza eléctrica, medida en newtons (N).
  • k es la constante de Coulomb, aproximadamente 8.99 × 109 N · m2/C2.
  • q1 y q2 son las magnitudes de las cargas, medidas en coulombs (C).
  • r es la distancia entre los centros de las cargas, medida en metros (m).
Gráfica de la fuerza eléctrica en función de la distancia, mostrando una curva de decrecimiento tipo inverso al cuadrado
Figura 1. La fuerza eléctrica disminuye rápidamente al aumentar la distancia, siguiendo una relación inversa al cuadrado (1/r2).

3.2 Forma vectorial de la Ley de Coulomb

En muchos problemas no basta con la magnitud de la fuerza: también se necesita conocer su dirección. Para ello se usa la forma vectorial:

$$\vec{F}_{12} = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}\hat{r}_{12}$$

Aquí, r̂12 es el vector unitario dirigido de la carga 1 hacia la carga 2. El signo del producto q1 q2 determina si el vector fuerza apunta en la dirección de r̂12 (repulsión, cargas de igual signo) o en la dirección contraria (atracción, cargas de signo opuesto).

Además, la tercera ley de Newton se cumple siempre: la fuerza que la carga 1 ejerce sobre la carga 2 es igual en magnitud y opuesta en dirección a la que la carga 2 ejerce sobre la carga 1.

$$\vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21}$$

3.3 La constante de Coulomb y la permitividad del vacío

La constante k no es un número arbitrario: está relacionada con una propiedad del espacio llamada permitividad del vacío, representada como ε0 (letra griega épsilon, con subíndice cero):

$$k = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$$

con ε0 ≈ 8.85 × 10-12 C2/(N·m2). Esta forma es especialmente útil en cursos universitarios porque conecta la Ley de Coulomb con el electromagnetismo de Maxwell y con el concepto de campo eléctrico. En medios diferentes al vacío (como el agua o el aire), la constante cambia y se introduce la permitividad relativa del material, lo que reduce la fuerza entre las cargas.

3.4 Principio de superposición: más de dos cargas

Cuando actúan varias cargas sobre una carga de referencia, la fuerza neta se obtiene sumando vectorialmente cada una de las fuerzas individuales, como si las demás cargas no existieran entre sí:

$$\vec{F}_{neta} = \vec{F}_1 + \vec{F}_2 + \vec{F}_3 + \dots + \vec{F}_n$$

Este principio es clave en química (para modelar redes cristalinas de sales, por ejemplo) y en ingeniería electrónica (para calcular fuerzas en sistemas con múltiples cargas, como en dispositivos MEMS).

3.5 Relación entre la Ley de Coulomb y el campo eléctrico

La Ley de Coulomb es la base para definir el campo eléctrico E⃗, que representa la fuerza por unidad de carga que experimentaría una carga de prueba positiva colocada en un punto del espacio:

$$\vec{E} = \dfrac{\vec{F}}{q_0}$$

Combinando esta definición con la Ley de Coulomb se obtiene el campo eléctrico generado por una carga puntual q a una distancia r:

$$E = k\dfrac{|q|}{r^2}$$

Este vínculo permite pasar de pensar en «fuerzas entre objetos» a pensar en «campos que llenan el espacio», una idea que será central en cursos posteriores de electromagnetismo.

3.6 Aplicaciones reales de la Ley de Coulomb

  • Impresoras láser y fotocopiadoras: usan fuerzas electrostáticas para adherir el tóner al papel.
  • Precipitadores electrostáticos: eliminan partículas contaminantes del aire en chimeneas industriales cargándolas y atrayéndolas hacia placas colectoras.
  • Pintura electrostática: las gotas de pintura se cargan eléctricamente para adherirse de forma uniforme a superficies metálicas.
  • Biología molecular: las fuerzas de Coulomb estabilizan la doble hélice del ADN y determinan cómo se pliegan las proteínas.
  • Pantallas táctiles capacitivas: detectan cambios en el campo eléctrico producidos por la fuerza de atracción entre tu dedo y la pantalla.
  • Aceleradores de partículas: controlan haces de partículas cargadas mediante campos eléctricos derivados de esta ley.

Investigación reciente: estudios en nanotecnología emplean simulaciones basadas en la Ley de Coulomb para diseñar nanomateriales autoensamblados, donde las fuerzas electrostáticas entre moléculas determinan la estructura final del material a escala nanométrica.

3.7 Errores comunes al estudiar la Ley de Coulomb

  • Confundir masa con carga: la Ley de Coulomb y la Ley de Gravitación Universal tienen forma matemática similar, pero la carga puede ser positiva o negativa (permitiendo repulsión), mientras que la masa siempre es positiva (la gravedad siempre atrae).
  • Olvidar el valor absoluto en la magnitud: al calcular la magnitud de la fuerza se usa |q1 · q2|; el signo del producto solo indica si es atracción o repulsión, no un valor negativo de fuerza.
  • Sumar fuerzas como si fueran escalares: cuando hay más de dos cargas, es un error común sumar solo magnitudes en lugar de vectores.
  • Pensar que la fuerza depende del medio de forma despreciable: el medio (aire, agua, vacío) sí afecta el valor efectivo de la constante.
  • Creer que las cargas deben tocarse para interactuar: la fuerza eléctrica actúa a distancia, sin contacto directo, igual que la gravedad.

4. Simulador interactivo

Para explorar la Ley de Coulomb de forma visual, te recomendamos dos simuladores uno de ellos es el de PhET Interactive Simulations y el de AulaQuest

🔗 https://phet.colorado.edu/es/simulations/coulombs-law

¿De qué se trata? El simulador muestra dos cargas puntuales sobre una línea. Puedes modificar el valor de cada carga y la distancia entre ellas, mientras observas en tiempo real el vector de fuerza y su magnitud.

Cómo explorarlo (predice antes de ver):

  1. Antes de mover nada, anota tu hipótesis: si duplicas la distancia entre las cargas, ¿la fuerza se reducirá a la mitad o a la cuarta parte?
  1. Ajusta la distancia al doble del valor inicial y observa el valor de la fuerza mostrado en pantalla.
  1. Compara el resultado con tu hipótesis. ¿Acertaste?
  1. Ahora cambia el signo de una de las cargas y observa cómo el vector de fuerza invierte su sentido (de repulsión a atracción).

Repite el proceso variando la magnitud de las cargas para comprobar la proporcionalidad directa con el producto de las cargas.

Esta metodología de «predecir antes de ver» activa el aprendizaje por descubrimiento guiado: primero formulas una hipótesis basada en la fórmula, y después la contrastas con la simulación, reforzando la comprensión conceptual más allá de la memorización.

A continuación el simulador de Phet:

Ahora practica con el simulador de AulaQuest

5. Problemas resueltos (20)

1 — Dos cargas puntuales en el vacío

Calcula la fuerza entre dos cargas de q1 = 2 μC y q2 = 3 μC separadas por una distancia de 0.5 m.

$$F = k\dfrac{|q_1 \cdot q_2|}{r^2} = (8.99\times 10^9)\dfrac{(2\times 10^{-6})(3\times 10^{-6})}{(0.5)^2}$$
$$F \approx 0.2158\ \text{N}$$

Como ambas cargas son positivas, la fuerza es de repulsión.

2 — Globo frotado (vida cotidiana)

Un globo adquiere una carga de -4 μC al frotarlo con lana, y queda a 3 cm de un trozo de papel con carga inducida de +0.1 μC. Calcula la fuerza de atracción.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(4\times 10^{-6})(0.1\times 10^{-6})}{(0.03)^2} \approx 3.996\ \text{N}$$

3 — Pantalla táctil capacitiva (tecnología moderna)

Estima, de forma simplificada, la fuerza de atracción entre una carga inducida de 1 × 10-9 C en la punta de un dedo y una carga de 1 × 10-9 C en el panel, separadas 1 mm.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(10^{-9})(10^{-9})}{(0.001)^2} = 8.99\times 10^{-3}\ \text{N}$$

4 — Ion de sodio y cloro (química)

Calcula la fuerza de atracción entre un ion Na+ (carga +1.6 × 10-19 C) y un ion Cl– (carga -1.6 × 10-19 C) separados 2.8 × 10-10 m, distancia típica en la red cristalina de la sal común.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(1.6\times 10^{-19})^2}{(2.8\times 10^{-10})^2} \approx 2.94\times 10^{-9}\ \text{N}$$

5 — Comparación con la gravedad (átomo de hidrógeno)

En un átomo de hidrógeno, un electrón orbita a 5.3 × 10-11 m del protón. Calcula la fuerza eléctrica entre ambos.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(1.6\times 10^{-19})^2}{(5.3\times 10^{-11})^2} \approx 8.2\times 10^{-8}\ \text{N}$$

Esta fuerza es unas 1039 veces mayor que la fuerza gravitacional entre las mismas dos partículas, lo que explica por qué la gravedad es despreciable a escala atómica.

6 — Precipitador electrostático (caso de estudio industrial)

Una partícula de hollín con carga de -5 × 10-14 C se encuentra a 0.2 m de una placa colectora con carga superficial equivalente de +2 × 10-8 C. Calcula la fuerza de atracción aproximada tratando la placa como carga puntual equivalente.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(5\times 10^{-14})(2\times 10^{-8})}{(0.2)^2} \approx 2.25\times 10^{-10}\ \text{N}$$

7 — Dos esferas cargadas en un péndulo eléctrico

Dos pequeñas esferas de 1 μC cada una cuelgan de hilos y se repelen quedando separadas 0.1 m. Calcula la fuerza eléctrica entre ellas.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(10^{-6})^2}{(0.1)^2} = 0.899\ \text{N}$$

8 — Efecto de cambiar el medio

Si las cargas del Ejemplo 7 se sumergen en un aceite con permitividad relativa 4 (lo que reduce k en un factor de 4), calcula la nueva fuerza.

$$F’ = \dfrac{F}{4} = \dfrac{0.899}{4} \approx 0.225\ \text{N}$$

9 — Tres cargas colineales (superposición)

Tres cargas puntuales de +2 μC, +3 μC y +2 μC están alineadas, con separación de 0.2 m entre cargas vecinas. Calcula la fuerza neta sobre la carga central debida a las otras dos.

Por simetría, las fuerzas de las cargas laterales sobre la central son iguales en magnitud pero de sentidos opuestos, por lo que la fuerza neta es:

$$F_{neta} = 0\ \text{N}$$

10 — Fuerza en un semiconductor dopado (estudio de caso tecnológico)

Un ion dopante con carga +1.6 × 10-19 C interactúa con un electrón libre de carga -1.6 × 10-19 C a una distancia de 1 × 10-9 m dentro de un cristal de silicio. Calcula la fuerza de atracción (sin considerar el efecto de apantallamiento del medio).

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(1.6\times 10^{-19})^2}{(10^{-9})^2} \approx 2.3\times 10^{-10}\ \text{N}$$

11 (básico)

Dos cargas de +1 μC y +1 μC están separadas 1 m. Calcula la fuerza entre ellas.

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(10^{-6})(10^{-6})}{1^2} = 8.99\times 10^{-3}\ \text{N}$$

12 (básico)

Si la distancia del problema 1 se reduce a 0.5 m, ¿cuál es la nueva fuerza?

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(10^{-6})^2}{(0.5)^2} = 3.596\times 10^{-2}\ \text{N}$$

Nota que la fuerza se cuadruplicó al reducir la distancia a la mitad, confirmando la relación inversa al cuadrado.

13 (intermedio)

Dos cargas desconocidas pero iguales en magnitud generan una fuerza de 0.9 N cuando están separadas 0.3 m. Encuentra el valor de cada carga (supón q1 = q2 = q).

$$q = \sqrt{\dfrac{F r^2}{k}} = \sqrt{\dfrac{(0.9)(0.3)^2}{8.99\times 10^9}}$$
$$q \approx 3\times 10^{-6}\ \text{C} = 3\ \mu C$$

14 (intermedio)

Encuentra la distancia a la que dos cargas de 5 μC y 5 μC deben colocarse para que la fuerza entre ellas sea de 5 N.

$$r = \sqrt{\dfrac{k\, q_1 q_2}{F}} = \sqrt{\dfrac{(8.99\times 10^9)(5\times 10^{-6})^2}{5}}$$
$$r \approx 0.212\ \text{m}$$

15 (intermedio)

Tres cargas están alineadas: q1 = +4 μC en x=0, q2 = -2 μC en x=0.2 m y q3 = +3 μC en x=0.5 m. Calcula la fuerza neta sobre q2.

Fuerza de q1 sobre q2 (atracción, hacia q1, es decir en dirección -x):

$$F_{12} = (8.99\times 10^9)\dfrac{(4\times 10^{-6})(2\times 10^{-6})}{(0.2)^2} \approx 1.798\ \text{N}$$

Fuerza de q3 sobre q2 (atracción, hacia q3, en dirección +x), con distancia 0.3 m:

$$F_{32} = (8.99\times 10^9)\dfrac{(3\times 10^{-6})(2\times 10^{-6})}{(0.3)^2} \approx 0.599\ \text{N}$$

Fuerza neta (tomando +x como positivo):

$$F_{neta} = -1.798 + 0.599 = -1.199\ \text{N}$$

La fuerza neta sobre q2 es de 1.199 N dirigida hacia q1 (dirección -x).

16 (avanzado)

Dos cargas de +6 μC están ubicadas en los puntos (0,0) y (0.4, 0) metros. Calcula la fuerza sobre una tercera carga de -2 μC ubicada en (0.2, 0.3).

Distancia de cada carga a la tercera:

$$r = \sqrt{(0.2)^2 + (0.3)^2} \approx 0.360\ \text{m}$$

Magnitud de cada fuerza (atracción, por signos opuestos):

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(6\times 10^{-6})(2\times 10^{-6})}{(0.360)^2} \approx 0.832\ \text{N}$$

Por simetría respecto al eje vertical que pasa por (0.2, 0), las componentes horizontales de ambas fuerzas se cancelan y las verticales se suman. El ángulo respecto a la horizontal cumple sintheta = 0.3/0.360 = 0.833, por lo que la fuerza neta vertical es:

$$F_{neta} = 2(0.832)(0.833) \approx 1.386\ \text{N}$$

dirigida hacia abajo (hacia el punto medio entre las dos cargas positivas), ya que la carga central es negativa.

17 (avanzado)

Un electrón se libera desde el reposo a 1 × 10-10 m de un protón fijo. Calcula la aceleración inicial del electrón (masa del electrón me = 9.11 × 10-31 kg).

$$F = (8.99\times 10^9)\dfrac{(1.6\times 10^{-19})^2}{(10^{-10})^2} \approx 2.3\times 10^{-8}\ \text{N}$$
$$a = \dfrac{F}{m_e} = \dfrac{2.3\times 10^{-8}}{9.11\times 10^{-31}} \approx 2.52\times 10^{22}\ \text{m/s}^2$$

18 (avanzado)

Dos cargas iguales de valor q están separadas por r y ejercen una fuerza F. Si ambas cargas se duplican y la distancia se reduce a la mitad, ¿en qué factor cambia la fuerza? Resuélvelo de forma simbólica.

$$F’ = k\dfrac{(2q)(2q)}{(r/2)^2} = 16\, k\dfrac{q^2}{r^2} = 16F$$

La fuerza aumenta 16 veces.

19 (avanzado)

Una gota de aceite cargada con -3.2 × 10-19 C está suspendida en equilibrio entre dos placas paralelas separadas por un campo eléctrico uniforme. Si el peso de la gota es 5 × 10-15 N, calcula el campo eléctrico necesario para el equilibrio (usa F = qE, consecuencia directa de la Ley de Coulomb aplicada al campo).

$$E = \dfrac{F}{q} = \dfrac{5\times 10^{-15}}{3.2\times 10^{-19}} \approx 1.56\times 10^{4}\ \text{N/C}$$

20 (nivel universitario)

Deduce, a partir de la Ley de Coulomb, la expresión de la energía potencial eléctrica U de dos cargas puntuales separadas una distancia r, sabiendo que U = -int F dr tomando el infinito como referencia de energía cero.

$$U(r) = -\int_{\infty}^{r} k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}\, dr = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$$

Este resultado es la base para el estudio del potencial eléctrico en electromagnetismo.

6. Resumen

la Ley de Coulomb te permite predecir con precisión la fuerza entre cargas eléctricas a partir de dos datos:

  • La magnitud de cada carga y
  • La distancia que las separa.

Es una ley simple en su forma, pero profunda en sus consecuencias: sin ella no se entenderían los enlaces químicos, el funcionamiento de los dispositivos electrónicos ni la estructura misma de la materia.

7. Actividades prácticas propuestas

PARTE I

1. Dos cargas de +2 μC separadas 0.4 m. Calcula la fuerza entre ellas.

$$F \approx 0.225\ \text{N}$$

2. Una carga de +5 μC y otra de -5 μC separadas 1 m. Calcula la fuerza.

$$F \approx 0.225\ \text{N (atracción)}$$

3. Si la distancia entre dos cargas se triplica, ¿en qué factor cambia la fuerza?

$$F’ = \dfrac{F}{9}$$

4. Dos cargas de +3 μC y +6 μC separadas 0.6 m. Calcula la fuerza.

$$F \approx 0.449\ \text{N}$$

5. Calcula la distancia necesaria para que dos cargas de 1 μC cada una generen una fuerza de 1 × 10-2 N.

$$r \approx 0.948\ \text{m}$$

6. Encuentra el valor de una carga q que, junto con otra de 4 μC a 0.25 m, produce una fuerza de 2 N.

$$q \approx 3.47\ \mu C$$

7. Dos protones están separados 1 × 10-15 m (escala nuclear). Calcula la fuerza eléctrica entre ellos.

$$F \approx 230.14\ \text{N}$$

8. Calcula el campo eléctrico generado por una carga de +8 μC a 0.1 m de distancia.

$$E \approx 7.19\times 10^{6}\ \text{N/C}$$

9. Tres cargas iguales de +1 μC están en los vértices de un triángulo equilátero de lado 0.1 m. Calcula la magnitud de la fuerza entre un par de ellas.

$$F \approx 0.899\ \text{N}$$

10. Si k se relaciona con ε0 mediante k = 1/(4πε0), calcula el valor de ε0 dado k = 8.99 × 109 N·m2/C2.

$$\varepsilon_0 \approx 8.85\times 10^{-12}\ \text{C}^2/(\text{N}\cdot\text{m}^2)$$

PARTE II

Individuales

  • Resuelve un cuestionario de 5 preguntas de opción múltiple sobre la Ley de Coulomb (puedes usar las preguntas de los mini-checks de este artículo como base).
  • Elabora tu propio resumen de una página con la fórmula, sus variables y dos ejemplos de aplicación real.

Colaborativas (trabajo en equipo)

  • En grupos de tres, cada integrante calcula la fuerza entre un par de cargas distinto usando el simulador de PhET, y luego comparan cómo cambia la fuerza al variar carga y distancia, elaborando una tabla conjunta de resultados.
  • Debate grupal: «¿Por qué la fuerza eléctrica es tan importante en la química, si en la vida cotidiana no la vemos directamente?»

De aplicación real (proyecto corto)

  • Diseña un experimento casero: frota un globo con un paño de lana y acércalo a pequeños trozos de papel. Mide (con una regla) la distancia máxima a la que el globo aún atrae el papel, y relaciona tu observación cualitativamente con la Ley de Coulomb. Presenta tus resultados en un informe breve de media página, incluyendo una hipótesis inicial y tu conclusión final.

Preguntas frecuentes

1. ¿La Ley de Coulomb funciona igual que la Ley de Gravitación Universal?

Son matemáticamente parecidas (ambas dependen del inverso del cuadrado de la distancia), pero la gravedad siempre atrae, mientras que la fuerza eléctrica puede atraer o repeler según el signo de las cargas. ¿Sabías por qué la gravedad nunca repele? Piénsalo y coméntalo.

2. ¿Por qué mi cabello se «eriza» al frotarlo con un globo?

Al frotar el globo, los electrones se transfieren de tu cabello al globo, dejando tu cabello cargado positivamente. Como todos los cabellos quedan con el mismo signo, se repelen entre sí y se separan.

3. ¿La fuerza de Coulomb se puede anular por completo?

Sí, cuando la suma vectorial de todas las fuerzas sobre una carga es cero, como en el problema 9 de este artículo (tres cargas colineales simétricas).

4. ¿Es correcto decir que «la carga negativa tiene menos fuerza» que la positiva?

No, es un error común. El signo indica dirección de la interacción (atracción o repulsión), no una «cantidad menor» de fuerza. Dos cargas de igual magnitud, una positiva y otra negativa, generan la misma magnitud de fuerza.

5. ¿Qué pasa con la Ley de Coulomb a distancias extremadamente pequeñas, como dentro del núcleo atómico?

A esas escalas, otras fuerzas (como la fuerza nuclear fuerte) dominan y superan ampliamente a la fuerza eléctrica de repulsión entre protones, manteniendo unido al núcleo.

6. ¿La Ley de Coulomb aplica solo a cargas puntuales?

En su forma original, sí. Para objetos extensos con distribución de carga, se necesita integrar la contribución de cada elemento de carga, un tema que se profundiza en cursos de electromagnetismo avanzado.

7. ¿Por qué en algunos libros aparece k y en otros 1/(4πε0)?

Son la misma constante expresada de dos formas distintas; la segunda es más común en electromagnetismo porque se conecta naturalmente con las ecuaciones de Maxwell.

8. Encuesta rápida: ¿cuál crees que es el error más común entre tus compañeros al resolver problemas de Coulomb?

a) Olvidar el valor absoluto b) Sumar fuerzas como escalares c) Confundir masa y carga d) Errores de unidades — Comenta tu respuesta.

9. ¿La fuerza eléctrica depende de la masa de las cargas?

No. La Ley de Coulomb solo depende de la magnitud de las cargas y de la distancia; la masa es irrelevante para el cálculo de la fuerza (aunque sí determina la aceleración resultante, según la segunda ley de Newton).

10. ¿Cómo puedo saber si dos cargas se atraen o se repelen sin hacer el cálculo completo?

Basta con observar los signos: si son iguales (++ o –), se repelen; si son opuestos (+-), se atraen. El cálculo numérico solo te da la magnitud de esa fuerza.

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La ley de Ohm: El vínculo entre el voltaje, corriente y resistencia

por
La ley de Ohm: El vínculo entre el voltaje, corriente y resistencia

Ley de Ohm¿Quieres profundizar más acerca de la ley de Ohm?¿Sabías que la resistencia eléctrica está presente en muchos dispositivos de tu vida diaria? Aquí te mencionaré algunos de ellos y comenzamos cuando cargas tu celular, el adaptador regula la corriente para proteger la vida de la batería, esta situación es la misma cuando cargas tu portátil o laptop.

Pasa lo mismo con los electrodomésticos, cada componente regula el flujo de corriente para garantizar un funcionamiento eficiente, evitando sobrecargas y asegurando que cada parte reciba la energía necesaria.

¿En algún momento te has preguntado cómo funciona la electricidad en los dispositivos que usamos a diario?

La respuesta a esta pregunta es la Ley de Ohm, esta ley es la regla fundamental qué expresa cómo se relaciona el voltaje (V), la corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico.

Qué es la ley de ohm

La Ley de Ohm expresa que el voltaje es el producto entre la intensidad de la corriente y la resistencia. Su fórmula matemática es:

E

Esto quiere decir, que el voltaje es directamente proporcional a la intensidad de la corriente y a la resistencia.

Símbolos y unidades

Es fundamental conocer los símbolos, unidades, nombre de los instrumentos encargados de medir cada magnitud y sus respectivos símbolos utilizados en las representaciones de los diagramas esquemáticos.

MagnitudSímboloUnidadInstrumento de medición

Representación en diagramas

TensiónEVoltio (V)VoltímetroLey de Ohm
CorrienteIAmperio (A)AmperímetroLey de Ohm
ResistenciaROhmio (Ω)ÓhmetroLey de Ohm

Términos utilizados en la Ley de Ohm

Para comprender la ley de Ohm, es fundamental conocer ciertos términos, como, voltaje, intensidad de corriente, resistencia, aislantes y conductores.

Voltaje

Llamado también diferencia de potencial eléctrico o tensión, es el encargado de impulsar los electrones a través de un circuito.

Ejemplo: En una pila de 9V, el voltaje impulsa los electrones en circuito para movilizar una plataforma de juguete.

El término tensión se usa con mayor frecuencia en España, mientras que en América Latina es más común el uso de voltaje.

Por la Ley de Ohm:

Tensión

Ley de Ohm: Intensidad de corriente

También conocida como corriente eléctrica o flujo de carga eléctrica, es la cantidad de carga que circula a través de un conductor en un tiempo determinado.

Donde:

Q = carga eléctrica en Coulomb (C).

t = tiempo.

Ejemplo de intensidad de corriente: Al encender un ventilador, la corriente eléctrica fluye desde la toma de corriente hasta el motor, generando el movimiento de los álabes.

Aplicando la Ley de Ohm, la intensidad de corriente se determina de la siguiente manera:

La intensidad es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia.

Resistencia

Es la propiedad del material o componente que se opone al paso de la corriente eléctrica, lo cual trae como consecuencia la disipación de calor.

Ejemplo: El filamento de una bombilla es un conductor que posee alta resistencia, cuando la corriente pasa por él este se calienta y emite luz.

Aplicando la Ley de Ohm, el cálculo de la resistencia se expresa así:

La resistencia es directamente proporcional a la tensión pero es inversamente proporcional a la intensidad.

Conductores

Es un material que permite el flujo de electrones con facilidad, facilitando la conducción de electricidad. Metales como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores eléctricos y se utilizan ampliamente en cables y circuitos debido a su baja resistencia.

¿Sabías que algunos gases pueden conducir electricidad?

Bajo condiciones especiales, ciertos gases pueden comportarse como conductores de electricidad. Este principio se aprovecha en la iluminación: el neón y el argón dan vida a los llamativos letreros luminosos, mientras que el vapor de mercurio y el vapor de sodio se utilizan en lámparas de alumbrado público, produciendo una luz brillante y eficiente.

Aislantes

Son materiales que dificultan o impiden el paso de la corriente eléctrica. Por ejemplo: el plástico, vidrio, goma, cerámica, baquelita, madera seca.

Visualizando la Ley de Ohm a través de circuitos eléctricos

Para comprender la Ley de Ohm, se presentarán tres circuitos, cada uno con su diagrama pictórico y su correspondiente diagrama esquemático.

Es importante destacar que en los diagramas esquemáticos de este post:

  1. La corriente eléctrica seguirá el sentido convencional, desplazándose del polo positivo al negativo.
  2. Las resistencias se representarán mediante rectángulos.

Los materiales que se utilizaran son los siguientes:

  • Dos pilas AA de 1,5V.
  • Dos bombillas modelo E10 de 3,5V.
    Resistencia del filamento 13,17Ω.
  • Un switch SPST.

Dado que se conocen el valor de la fuente y la resistencia del filamento de la bombilla, se calculará manualmente la intensidad de la corriente aplicando la Ley de Ohm. Además, en el diagrama esquemático se incluye un amperímetro que muestra el valor de la intensidad medida.

Circuito # 1: Los componentes para este primer circuito son una pila de 1,5V, una bombilla y un switch.

Calculo de la intensidad:

Circuit#1

Ley de Ohm

Conclusión: Con una fuente de 1,5V la iluminación de la bombilla es baja.

Circuito # 2: Los componentes para este circuito son dos pilas conectadas en serie, un switch y una bombilla.

Aplicando la fórmula:

Circuit#2

Ley de Ohm

Conclusión: Al duplicar el voltaje, la intensidad de corriente también se duplicó, lo que resultó en un aumento en la iluminación de la bombilla.

Circuito # 3: Los componentes para este circuito son dos bombillas conectadas en serie, un switch y una pila.

Se determina la intensidad de la corriente:

Circui#3

Ley de Ohm

Conclusión: Al aumentar la cantidad de bombillas, también aumenta la resistencia total del circuito. Como están conectadas en serie, sus resistencias se suman, duplicando el valor original. Como resultado, la intensidad de la corriente disminuye, lo que provoca una menor iluminación en las bombillas.

Juega con la electricidad

Con los conocimientos que ya tienes sobre circuitos, voltaje, corriente y resistencia, ahora podrás experimentar de manera interactiva. Usa la simulación diviértete explorando y aprende jugando con la Ley de Ohm.

Laboratorio Virtual: Fortalece tus conocimientos 

Ahora es tu turno. Pon a prueba lo que has aprendido y responde estas 5 preguntas. Usa la simulación para experimentar y descubrir las respuestas. ¡Atrévete a resolver el reto eléctrico!

1) Ajusta el voltaje a 9V y la resistencia a 10 Ω. ¿Cuánto marca el amperímetro?

a) 500 mA.
b) 200 mA.
c) 9 A.
d) 900 mA

2) ¿Qué pasa con la corriente? si duplicas el voltaje, ¿qué le sucede a la corriente?

a) Se mantiene igual.
b) Se duplica.
c) Se reduce a la mitad.
d) Desaparece.

3) Resistencia al límite. Ajusta la resistencia al máximo valor posible. ¿Cómo afecta esto a la corriente en el circuito?

a) Aumenta.
b) Disminuye.
c) Se mantiene igual.
d) Se vuelve infinita.

4)Jugando con la Ley de Ohm. Si tienes una resistencia de 20Ω y una corriente de 3A, ¿Cuál debe ser el voltaje de la fuente para cumplir con la Ley de Ohm?

a) 60V
b) 17V
c) 23V
d) 40V

5)Prueba de alto voltaje. ¿Cuál de estas combinaciones generará una corriente más alta?

a) 15V y 5Ω
b) 20V y 10Ω
c) 30V y 30Ω
d) 40V y 80Ω

Nota: Las respuestas están al final de la sección de Actividades. Te sugiero anotar tus respuestas y compararlas después para evaluar tu conocimiento.

¿Quién demostró esta relación?

Ley de OhmLa relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia en un circuito eléctrico fue demostrada en 1827 por el físico matemático alemán Georg Simon Ohm (1787-1854).

Problemas con soluciones: Ley de Ohm

En esta sección se presentarán ejercicios resueltos de la Ley de Ohm, explicados paso a paso para facilitar su comprensión. Además, cada problema incluirá su correspondiente diagrama esquemático para visualizar mejor la situación.

Problema # 1

Ley de Ohm

Se tiene un circuito eléctrico con una fuente de 10V y una sola resistencia de 5Ω. Determina: Intensidad de la corriente y el voltaje que pasa por la resistencia R1.

Solución

Datos:

E = 10V
R = 5 Ω
I = ?

Operación:

Problema # 2

P2

David está instalando un calentador eléctrico en su casa y quiere asegurarse que funciona correctamente. El calentador está conectado a una toma de corriente de 120V, y el medidor de corriente indica que está consumiendo 2A.

Solución

Para verificar si el calentador está operando dentro de los parámetros esperados, él necesita determinar la resistencia del calentador.

Datos:

E = 120V
I = 2A
R1 = ?

Operación:

Solucion 2

Problema # 3

P3

El circuito de la imagen cuenta con una fuente de 150V y dos resistencias: R1 de 10Ω y R2 de 5Ω. Se requiere determinar:

  • La resistencia total (Rt).
  • La corriente en el circuito.
  • El voltaje en cada resistencia.

Solución

Datos:

E = 150V
R1 = 10Ω
R2 = 5Ω
RT = ?
I = ?
ER1 = ?
ER2 = ?

Operación:

Solucion 3

Problema # 4

P4

La corriente del circuito es de 4A y cuenta con dos resistencias: R1 de 2Ω y R2 de 3Ω. Se requiere determinar:

  • La resistencia total.
  • El voltaje total del circuito.
  • El voltaje en cada resistencia individual (R1 y R2).

Solución

Datos:

I = 4A
R1 = 2Ω
R2 = 3Ω
RT = ?
ET = ?
ER1 = ?
ER2 = ?

Operación:

Solucion 4

Problema # 5

P5María quiere iluminar su jardín con una serie de luces decorativas incandescentes. Ha conectado 5 bombillos a una fuente de voltaje y desea conocer cómo funciona el circuito antes de encenderlo. Para ello, necesita calcular:

  1. La resistencia total del sistema de bombillos.
  2. La corriente que circulará por el circuito.
  3. El voltaje que recibe cada bombillo.

Ayuda a María a determinar estos valores para asegurarse de que las luces funcionarán correctamente sin sobrecargar el sistema.

Solución

Datos:

E = 120V
R1 = 4840Ω
R2 = 2880Ω
R3 = 1440Ω
R4 = 6914Ω
R5 = 2057Ω
RT = ?
I = ?
ER1 = ?
ER2 = ?
ER3 = ?
ER4 = ?
ER5 = ?

Operación:

Solucion 5

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Actividades: Ley de Ohm

Parte I

1.Una linterna utiliza una batería de 10V y una resistencia interna de 5Ω en su circuito. Determina:

  • La corriente que fluye por el circuito.
  • El voltaje en la resistencia interna de la linterna.

Respuesta: I = 2A y V = 10V

2.Un calentador eléctrico de 150V utiliza dos resistencias internas de 10Ω y 5Ω conectadas en serie. Determina:

  • La resistencia total.
  • La corriente en el circuito.
  • El voltaje en cada resistencia.

Respuesta: Rt = 15Ω; I = 10A; E1 = 100V; E2 = 50V

3.Un electricista instala dos lámparas en serie en una casa, cada una con una resistencia de 2Ω y 3Ω. La corriente que fluye en el circuito es de 4A. Determina:

  • La resistencia total.
  • El voltaje de la fuente.
  • El voltaje en cada lámpara.

Respuesta: Rt = 5Ω; V = 20V; V1 = 8V; V2 = 12V

Parte II: Ley de Ohm

Respuestas del Laboratorio Online

1.b)
2.b)
3.b)
4.a)
5.a)

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