Varias fuerzas tienen varias dependencias de la distancia entre las partículas sobre las que actúan. Aquí resumo las dependencias de la distancia de las fuerzas más prominentes.
Si cualquiera de las dos partículas, o ambas, está / no está cargada, entonces no hay fuerza electrostática monopolar entre ellas. Hay varias otras fuerzas que pueden ser efectivas entre ellos. En principio, todas las fuerzas que enumero a continuación pueden ser efectivas entre ellas, pero qué fuerza, si la hay, tiene un efecto medible depende principalmente de su tamaño.
Habiendo hecho la estipulación “monopolar” arriba, empiezo con un par de tipos de fuerza eléctrica dipolo.
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Fuerza dipolo entre cuerpos polares
Si un cuerpo no tiene carga neta, aún puede tener un “momento” dipolar, lo que significa que es positivo en un lugar y negativo en otro. En cualquier punto donde una carga está más distante que la otra, hay un campo distinto de cero debido a la influencia desigual de las dos cargas opuestas. Este campo cae con la distancia, digamos r , proporcionalmente a
1 / r ³ .
Dado que esta caída es rápida, y dado que un momento dipolar requiere cierta estructura para sostenerlo, las fuerzas dipolares son más prominentes entre las moléculas.
Un ejemplo es una molécula de agua, en la cual los átomos de hidrógeno han donado principalmente sus electrones (uno cada uno) al átomo de oxígeno. Dado que los enlaces químicos del oxígeno tienden a estar en ángulo recto, los átomos de hidrógeno cargados positivamente están separados un poco más de 90 °, formando una región cargada positivamente en un lado de la molécula, equilibrada contra una carga negativa en el otro lado. Esto es lo que mantiene el agua unida por debajo de su punto de ebullición. (La forma extraña es la razón por la cual el agua se expande cuando se congela).
Fuerza de Van der Waals
Existe otro tipo de fuerza electrostática entre partículas que tienen una pluralidad de partículas cargadas eléctricamente en su composición. Incluso si las partículas son en general eléctricamente neutras y esféricamente simétricas, de acuerdo con la mecánica cuántica, cada partícula está en un continuo de estados en los que las cargas se distribuyen de varias maneras, incluidas las formas en que hay momentos dipolares en todas las orientaciones.
Cuando dos de estas partículas están juntas, su influencia mutua hace que sus momentos dipolares estén correlacionados. Cada momento dipolar en una partícula tiende a crear el mismo momento dipolar en la otra partícula. El efecto es una fuerza atractiva entre las dos partículas. Como el campo dipolar cae con una distancia como 1 / r ³, el campo dipolo inducido también cae como 1 / r ³, y el producto, que determina la atracción, por lo tanto cae con una distancia como
1 / r ⁶ .
Esta caída rápida significa que la fuerza de van der Waals es más prominente entre los átomos o las moléculas. Sin embargo, el enlace anterior muestra un lagarto aferrado a una pared con la fuerza de van der Waals.
La gravedad actúa entre dos partículas cualesquiera. Sin embargo, es mucho más débil que las fuerzas electrostáticas en mediciones típicas. AFAIK nadie ha logrado medir la fuerza de gravedad en un electrón, porque los campos eléctricos incluso de las fuentes más débiles abruman esa fuerza. Las partículas más pequeñas entre las que sé que se ha medido la gravedad son alrededor de una masa de kilogramo, ni siquiera lo que normalmente se llamaría “partículas”.
Probablemente ya sepas que la gravedad cae con la distancia como
1 / r ² .
Los sistemas altamente asimétricos, como los pares de cuerpos en órbita mutua, tienen un componente dipolar notable, conocido como “marea”, que cae con la distancia como
1 / r ³ .
También se han medido momentos más altos, por ejemplo, asimetrías en la Tierra, mediante mediciones detalladas de las órbitas de los satélites.
Fuerza nuclear
Los neutrones y los protones se mantienen unidos en un núcleo atómico por una fuerza compleja generalmente conocida como la “fuerza nuclear fuerte”. Se cae con la distancia de acuerdo con una serie de términos del formulario
exp (-μ r ) / r ,
en el que μ define una distancia de alrededor de 10⁻¹⁵ metros. Esta corta distancia significa que solo es eficaz para mantener unidos los núcleos. De hecho, esa distancia es tan pequeña que no tiene mucho efecto incluso sobre el diámetro de un núcleo que contiene más de unas pocas decenas de nucleones. Dado que la fuerza electrostática repulsiva entre los protones tiene un alcance mucho más largo, este corto alcance impide la existencia de núcleos con más de alrededor de 100 protones.
