Ejemplo de Fuerza Eléctrica
La fuerza eléctrica entre cargas se puede calcular usando la ley de Coulomb.
Los circuitos domésticos normales en los EEUU, operan con un voltaje AC de alrededor de V =120 voltios. Para tales tipos de circuitos la relación de la potencia eléctrica P = IV nos dice que para usar una potencia de P = 120 vatios en un circuito de 120 voltios, requerirá una intensidad de corriente eléctrica de I = 1 amperio. Un amperio de corriente transporta a través del conductor un culombio de carga por segundo. De modo que un culombio de carga representa la carga transportada a través de una bombilla de 120 vatios en un segundo.
Si tuviéramos dos colecciones de cargas de un culombio cada una concentradas en dos puntos separados por un metro de distancia, la fuerza entre ellas se podría calcular de la ley de Coulomb. Para este caso particular el cálculo viene a ser
Si dos de tales cargas estuvieran realmente concentradas en esos puntos separados por esa distancia de 1 metro, se moverían para separarse por la influencia de esa enorme fuerza, ¡incluso si tuvieran que ser desprendidas del material de acero donde pudieran estar localizadas!.
Si de nuestro acuerdo hipotético de distribución de cargas resultan tales enormes fuerzas, entonces ¿por que no vemos manifestaciones dramáticas de las fuerzas eléctricas?. La respuesta general es que en cualquier punto de un cable, no hay mucho mas de una neutralidad eléctrica. La naturaleza nunca acumula un culombio de carga en un punto. Podría ser instructivo examinar la cantidad de carga en una esfera de cobre con un volúmen de un centímetro cúbico. El cobre tiene un electrón de valencia fuera de las capas completas de su átomo y este electrón está bastante libre para poder moverse en el material sólido de cobre, (esto es lo que lo hace un buen conductor eléctrico). La densidad del cobre metálico es de unos 9 gramos/cm3 y un mol de cobre tiene 63,6 gramos, de modo que un centímetro cúbico de cobre contiene alrededor de 1/7 parte de un mol o alrededor de 8,5 x 1022 átomos de cobre. Con un electrón movil por átomo y con la carga del electrón de 1.6 x 10-19 Culombios, esto significa que hay potencialmente alrededor de 13.600 culombios de cargas móviles en un cm3 de cobre. Supongamos que quitamos suficientes electrones de dos esferas de cobre de modo que haya suficiente carga neta positiva para suspender una de ellas sobre la otra. (sujetaremos la de abajo, entonces la de arriba estará sometida a repulsión por cargas iguales, y a atracción de la gravedad por su masa). ¿Que fracción de carga electrónica debemos quitar?. La fuerza para levantar una de las esferas de cobre, sería su peso, 0,088 Newtons. Asumiendo que la carga neta reside en los puntos mas alejados de las esferas debido a la repulsión de carga, podemos establecer la fuerza de repulsión igual al peso de una esfera. El radio de una esfera de un cm3 es de 0,62 cm., de modo que podemos tratar la fuerza como la de dos cargas puntuales, separadas 2,48 cm. (es decir una separación de dos veces el diámtero de la esfera). Usando la ley de Coulomb, esto requiere una carga de 7,8 x 10-8 culombios. Comparado con la carga total móvil de 13.600 culombios, esto equivale a la eliminación de un solo electrón de valencia de cada 5,7 billones (5,7 x 1012) de cada esfera de cobre. El resultado final es que la eliminación de un solo electrón de los cerca de 6 billones de electrones libres de cada esfera de cobre, causaría la suficiente repulsión eléctrica sobre la parte superior de la esfera para elevarla, ¡venciendo el tirón gravitacional de la Tierra entera!.
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