La carga eléctrica y la Ley de Coulomb
Esta lección es parte de Temario de Física de Undécimo año Lección 5 de 17Por Andrea del Carmen actualizado el 26 de octubre de 2026 10 min de lectura
Si frotas un lapicero de plástico contra tu pelo seco y lo acercas a unos papelitos, los papelitos saltan hacia el lapicero; algunos se pegan y, al rato, salen disparados. El programa de Física del MEP empieza el tema de electricidad con ese experimento, porque en él aparecen las ideas clave: la carga eléctrica, su transferencia de un cuerpo a otro y la fuerza entre cargas, que se calcula con la Ley de Coulomb.
En esta lección vas a ver de dónde viene la carga, qué materiales la conducen, cómo se carga un objeto y cómo se resuelven problemas con la Ley de Coulomb, incluido el despeje de variables y el análisis de unidades.
Definición
La carga eléctrica es una propiedad de algunas de las partículas que forman la materia por la cual se atraen o se repelen. Hay dos tipos: positiva, la de los protones, y negativa, la de los electrones. Las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen. En el Sistema Internacional (SI) se mide en coulombs (C); un coulomb es la carga que transporta una corriente de un ampere durante un segundo (1 C = 1 A · s).
De dónde viene la carga: protones, electrones y la carga elemental#
Los átomos tienen un núcleo con protones, de carga positiva, y neutrones, sin carga; alrededor se mueven los electrones, de carga negativa. Un átomo con igual número de protones que de electrones es neutro. Un objeto queda cargado negativamente si gana electrones y positivamente si los pierde; los protones no se mueven de un cuerpo a otro en estos procesos, porque están en el núcleo.
La carga del protón es +e y la del electrón es −e, donde e es la carga elemental. Según el NIST, e = 1,602 176 634 × 10−19 C, un valor exacto: la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) explica que, desde el 20 de mayo de 2019, todas las unidades del SI se definen fijando el valor de siete constantes, y la carga elemental es una de ellas.
Fórmula
q = n · e
La carga de cualquier objeto es un múltiplo entero (n) de la carga elemental: la carga está cuantizada. Además, la carga se conserva: no se crea ni se destruye, solo pasa de un cuerpo a otro.
Como el coulomb es una unidad muy grande para la electricidad estática, se usan sus submúltiplos: el microcoulomb (1 µC = 10−6 C) y el nanocoulomb (1 nC = 10−9 C).
Ejemplo. Un globo tiene una carga de −3,2 nC. ¿Cuántos electrones de más tiene?
Solución. Se despeja n = q / e = 3,2 × 10−9 C ÷ 1,602 176 634 × 10−19 C ≈ 2,0 × 1010 electrones. Una carga pequeña en coulombs representa una cantidad enorme de electrones.
Conductores, aislantes, semiconductores y superconductores#
- Conductores: permiten que la carga se mueva con facilidad, porque tienen electrones libres. Son conductores los metales, como el cobre y el aluminio, y el agua con sales disueltas.
- Aislantes o aisladores: la carga casi no se mueve en ellos y queda donde se depositó. Son aislantes el plástico, el vidrio, el hule y la madera seca.
- Semiconductores: conducen menos que un metal y más que un aislante, y su conducción se puede controlar; por eso son la base de la electrónica, como los diodos LED y los chips. El silicio es un semiconductor.
- Superconductores: materiales que, enfriados por debajo de cierta temperatura, conducen sin ninguna resistencia eléctrica.
El programa del MEP propone probar con un circuito de un LED y una pila si el agua de la casa conduce. El agua pura conduce muy poco, pero las sales disueltas la vuelven conductora; por eso es peligroso tocar una fuente de electricidad con el piso mojado y sin calzado aislante.
Cómo se carga un objeto#
- Por frotamiento: al frotar dos materiales distintos, uno le pasa electrones al otro. Los dos quedan con cargas iguales y de signo contrario, como el lapicero y el pelo.
- Por contacto: un objeto cargado toca a otro y le cede parte de su carga; los dos quedan con carga del mismo signo.
- Por inducción: un objeto cargado se acerca, sin tocar, a un conductor. Las cargas del conductor se reacomodan; si el conductor se conecta a tierra y luego se desconecta, queda con carga de signo contrario a la del objeto que se acercó.
El experimento de los papelitos se explica así: los papelitos son neutros, pero el lapicero cargado polariza sus cargas, que se reacomodan un poco. El lado más cercano queda con carga opuesta a la del lapicero y, como está más cerca, la atracción gana a la repulsión. Los papelitos que tocan el lapicero reciben carga por contacto, quedan con el mismo signo y son repelidos: cargas iguales se repelen.
La Ley de Coulomb#
La fuerza entre dos cargas puntuales en el vacío (en el aire es prácticamente la misma) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Actúa sobre la recta que une las cargas; es de repulsión si las cargas tienen el mismo signo y de atracción si tienen signos contrarios. Cada carga ejerce sobre la otra una fuerza del mismo tamaño y en sentido opuesto.
Fórmula
F = k · |q1 · q2| / r² con k = 1 / (4π ε0) ≈ 8,99 × 109 N · m² / C²
Donde F es la fuerza (N), q1 y q2 las cargas (C), r la distancia (m) y ε0 la permitividad eléctrica del vacío, que según el NIST vale 8,854 187 8188 × 10−12 F/m.
Análisis de unidades: k · q² / r² tiene unidades de (N · m²/C²) · C² / m² = N, una fuerza, como debe ser. Por la dependencia con r², si la distancia se duplica la fuerza se reduce a la cuarta parte, y si se triplica, a la novena parte.
Ejemplo. Dos cargas de +3,0 µC y −5,0 µC están separadas 0,30 m. ¿Qué fuerza hay entre ellas? ¿Y si la distancia se triplica?
Solución. F = 8,99 × 109 · (3,0 × 10−6) · (5,0 × 10−6) ÷ (0,30)² = 0,134 85 ÷ 0,09 ≈ 1,5 N. Como los signos son contrarios, es de atracción. A 0,90 m, la fuerza es nueve veces menor: 1,498 ÷ 9 ≈ 0,17 N.
Ejemplo. En el átomo de hidrógeno, el electrón y el protón están separados por una distancia del orden del radio de Bohr, que según el NIST es 5,29 × 10⁻¹¹ m. ¿Qué fuerza eléctrica hay entre ellos?
Solución. Las dos cargas valen e en valor absoluto: F = 8,99 × 109 · (1,602 × 10−19)² ÷ (5,29 × 10−11)² ≈ 8,2 × 10−8 N, de atracción. Parece poco, pero actúa sobre una partícula de masa diminuta.
Ejemplo. Una carga de +2,0 µC está en x = 0 y otra de +4,0 µC en x = 0,20 m. ¿Qué fuerza neta recibe una carga de −1,0 µC colocada en x = 0,10 m?
Solución. Se calcula cada fuerza por separado y luego se suman como vectores. La primera atrae a la carga negativa hacia la izquierda: F1 = 8,99 × 109 · 2,0 × 10−6 · 1,0 × 10−6 ÷ (0,10)² = 1,798 N. La segunda la atrae hacia la derecha: F2 = 8,99 × 109 · 4,0 × 10−6 · 1,0 × 10−6 ÷ (0,10)² = 3,596 N. La fuerza neta es 3,596 − 1,798 = 1,798 N hacia la derecha.
Ejemplo. Dos cargas de 2,0 µC cada una se repelen con 0,90 N. ¿A qué distancia están?
Solución. Se despeja r de la Ley de Coulomb: r = √(k · q1 · q2 / F) = √(8,99 × 109 · (2,0 × 10−6)² ÷ 0,90) ≈ √0,0400 ≈ 0,20 m.
La carga eléctrica en la ciencia, la tecnología y la sociedad#
- Fotocopiadoras e impresoras láser: un cilindro con zonas cargadas atrae el polvo de tinta (tóner) solo donde debe quedar la imagen.
- Pintura electrostática: las gotitas de pintura se cargan y son atraídas por la pieza, lo que reduce el desperdicio.
- Filtros electrostáticos: cargan las partículas de humo o polvo y las atrapan en placas de carga contraria.
- Electrónica: las descargas de electricidad estática pueden dañar componentes; por eso se manipulan con pulseras conectadas a tierra.
- Rayos: son descargas eléctricas que ocurren cuando se separan grandes cantidades de carga en las nubes.
Ponte a prueba#
¿Cuántos electrones debe perder un objeto neutro para quedar con una carga de +1,0 nC?#
Cada electrón que pierde aumenta su carga en e. Se despeja n = q / e = 1,0 × 10−9 C ÷ 1,602 176 634 × 10−19 C ≈ 6,24 × 109 electrones. Son más de seis mil millones de electrones para una carga que, en coulombs, es muy pequeña.
¿Qué fuerza hay entre dos cargas de +2,0 µC y +6,0 µC separadas 0,12 m?#
Con la Ley de Coulomb: F = 8,99 × 109 · (2,0 × 10−6) · (6,0 × 10−6) ÷ (0,12)² = 0,107 88 ÷ 0,0144 ≈ 7,5 N. Las dos cargas son positivas, así que la fuerza es de repulsión: cada carga empuja a la otra con 7,5 N en sentido opuesto.
¿Qué le pasa a la fuerza entre dos cargas si la distancia entre ellas se reduce a la mitad?#
La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Si r pasa a r / 2, entonces r² pasa a r² / 4, y la fuerza queda multiplicada por 4. Por ejemplo, una fuerza de 1,5 N se convertiría en 6,0 N. Las cargas no cambian; solo cambia la distancia.
¿Por qué un globo frotado contra el pelo se pega a una pared que no tiene carga?#
Al frotarlo, el globo gana o pierde electrones y queda cargado. Al acercarlo a la pared, que es neutra, la polariza: sus cargas se reacomodan un poco y la parte más cercana al globo queda con carga de signo contrario. Como esa carga está más cerca que la del mismo signo, la atracción es mayor que la repulsión y el globo se queda pegado.
¿Por qué los cables eléctricos llevan metal por dentro y plástico por fuera?#
El metal es un conductor: tiene electrones libres que permiten que la carga se mueva con facilidad a lo largo del cable. El plástico es un aislante: la carga casi no se mueve en él. Así, la corriente viaja por el metal y el forro de plástico impide que pase a las manos de quien toca el cable o a otros objetos cercanos.
Fuentes#
- Ministerio de Educación Pública — Programa de Estudio de Física, Educación Diversificada (PDF)
- NIST — CODATA: carga elemental (elementary charge)
- NIST — CODATA: permitividad eléctrica del vacío (vacuum electric permittivity)
- NIST — CODATA: radio de Bohr (Bohr radius)
- BIPM — The SI: las siete constantes que definen el SI desde el 20 de mayo de 2019
- NIST — Guía del SI, capítulo 4: el coulomb y los prefijos micro y nano
También en Física
