5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción

Conductores y aislantes

Como se comentó en el apartado anterior, los electrones rodean al diminuto núcleo en forma de una (comparativamente) vasta nube de carga negativa. Sin embargo, esta nube tiene una estructura definida. Consideremos un átomo del conductor más utilizado, el cobre.

Por razones que se aclararán en Estructura atómica, hay un electrón más externo que solo está débilmente unido al núcleo del átomo. Se puede desprender fácilmente; entonces se desplaza a un átomo vecino. En una gran masa de átomos de cobre (como un alambre o una lámina de cobre), este gran número de electrones exteriores (uno por átomo) vagan de un átomo a otro y son los electrones los que se mueven cuando fluye la electricidad. Estos electrones errantes o "libres" se denominan electrones de conducción, por lo que el cobre es un excelente conductor (de la carga eléctrica). Todos los elementos conductores tienen una disposición similar de sus electrones, con uno o dos electrones de conducción. Esto incluye la mayoría de los metales.

Los aislantes, por el contrario, están hechos de materiales que carecen de electrones de conducción; la carga solo fluye con gran dificultad, si es que lo hace. Aunque se añada un exceso de carga a un material aislante, este no puede moverse, permaneciendo indefinidamente en su lugar. Esta es la razón por la que los materiales aislantes presentan las fuerzas de atracción y repulsión eléctrica descritas anteriormente, mientras que los conductores no; cualquier exceso de carga colocado en un conductor se desprenderían instantáneamente (debido a la repulsión mutua de las cargas existentes), sin dejar ningún exceso de carga alrededor para crear fuerzas. La carga no puede fluir a lo largo o a través de un aislante, por lo que sus fuerzas eléctricas permanecen durante largos periodos (la carga se disipará de un aislante dado el tiempo suficiente). Resulta que el ámbar, la piel y la mayoría de las gemas semipreciosas, son aislantes, al igual que materiales como la madera, el vidrio y el plástico.

Carga por inducción

Examinemos con más detalle lo que ocurre en un conductor cuando se le acerca un objeto cargado eléctricamente. Como se ha mencionado, los electrones de conducción en el conductor pueden moverse con casi total libertad. Como resultado, cuando un aislante cargado (como una varilla de vidrio cargada positivamente) se acerca al conductor, la carga (total) del aislante ejerce una fuerza eléctrica sobre los electrones de conducción. Como la varilla está cargada positivamente, los electrones de conducción (que a su vez están cargados negativamente) son atraídos, fluyendo hacia el aislante hacia el lado cercano del conductor (Figura 5.10).

Ahora, el conductor sigue siendo en general eléctricamente neutro; los electrones de conducción han cambiado de posición, pero siguen estando en el material conductor. Sin embargo, el conductor tiene ahora una distribución de carga; el extremo cercano (la parte del conductor más cercana al aislante) tiene ahora más carga negativa que positiva, y lo contrario ocurre con el extremo más alejado del aislante. La reubicación de las cargas negativas en el lado cercano del conductor da lugar a una carga positiva global en la parte del conductor que está más alejada del aislante. Así, hemos creado una distribución de carga eléctrica donde antes no existía. Este proceso se denomina inducir la polarización, en este caso, polarizar el conductor. La separación resultante de la carga positiva y negativa se denomina polarización, y un material, o incluso una molécula, que presenta polarización se dice que está polarizado. Ocurre una situación similar con un aislante cargado negativamente, pero la polarización resultante es en la dirección opuesta.

Figura 5.10 Polarización inducida. Una varilla de vidrio cargada positivamente se acerca al lado izquierdo de la esfera conductora, atrayendo la carga negativa y dejando el otro lado de la esfera con carga positiva. Aunque la esfera sigue siendo eléctricamente neutra, ahora tiene una distribución de carga, por lo que puede ejercer una fuerza eléctrica sobre otras cargas cercanas. Además, la distribución es tal que la varilla de vidrio la atraería.

El resultado es la formación de lo que se llama un dipolo eléctrico, de una frase latina que significa "dos extremos" La presencia de cargas eléctricas en el aislante, y las fuerzas eléctricas que aplican a los electrones de conducción, crea, o "induce", el dipolo en el conductor.

Cualquier objeto cargado puede atraer los objetos neutros. Los trozos de paja atraídos por el ámbar pulido son neutros, por ejemplo. Si se pasa un peine de plástico por el cabello, el peine cargado puede recoger trozos neutros de papel. La Figura 5.11 muestra cómo la polarización de los átomos y moléculas de los objetos neutros provoca su atracción hacia un objeto cargado.

Figura 5.11 Tanto los objetos positivos como los negativos atraen a un objeto neutro polarizando sus moléculas. (a) Un objeto positivo acercado a un aislante neutro polariza sus moléculas. Se produce un ligero cambio en la distribución de los electrones que orbitan la molécula, acercándose las cargas diferentes y alejándose las cargas similares. Como la fuerza electrostática disminuye con la distancia, hay una atracción neta. (b) Un objeto negativo produce la polarización opuesta, pero de nuevo atrae al objeto neutro. (c) El mismo efecto se produce para un conductor; como las cargas diferentes están más cerca, hay una atracción neta.

Cuando una varilla cargada se acerca a una sustancia neutra, un aislante en este caso, la distribución de la carga en los átomos y las moléculas se desplaza ligeramente. La carga opuesta es atraída cerca de la varilla cargada externa, mientras que la carga similar es repelida. Como la fuerza electrostática disminuye con la distancia, la repulsión de las cargas similares es más débil que la atracción de las cargas diferentes, por lo que existe una atracción neta. Así, una varilla de vidrio cargada positivamente atrae trozos neutros de papel, al igual que una varilla de goma cargada negativamente. Algunas moléculas, como el agua, son moléculas polares. Las moléculas polares tienen una separación natural o inherente de la carga, aunque son neutras en general. Otros objetos cargados las afectan especialmente y muestran mayores efectos de polarización que las moléculas con distribuciones de carga naturalmente uniformes.

Cuando los dos extremos de un dipolo pueden separarse, se puede utilizar este método de carga por inducción para crear objetos cargados sin transferir carga. En la Figura 5.12, vemos dos esferas de metal neutras en contacto entre sí pero aisladas del resto del mundo. Se acerca una varilla cargada positivamente a una de ellas, atrayendo la carga negativa hacia ese lado, dejando la otra esfera cargada positivamente.

Figura 5.12 Carga por inducción. (a) Dos esferas de metal sin carga o neutras están en contacto entre sí pero aisladas del resto del mundo. (b) Se acerca una varilla de vidrio cargada positivamente a la esfera de la izquierda, atrayendo la carga negativa y dejando la otra esfera cargada positivamente. (c) Las esferas se separan antes de retirar la varilla, separando así las cargas negativas y positivas. (d) Las esferas conservan las cargas netas después de retirar la varilla inductora, sin que un objeto cargado las haya tocado nunca.

Otro método de carga por inducción se muestra en la Figura 5.13. La esfera de metal neutra se polariza cuando se le acerca una varilla cargada. A continuación, la esfera se conecta a tierra, lo que significa que se pasa un alambre conductor desde la esfera hasta el suelo. Como la Tierra es grande y la mayor parte del suelo es un buen conductor, puede suministrar o aceptar un exceso de carga fácilmente. En este caso, los electrones son atraídos a la esfera a través de un alambre llamado cable a tierra, ya que proporciona un camino conductor a la tierra. La conexión a tierra se rompe antes de retirar la varilla cargada, dejando la esfera con un exceso de carga opuesto al de la varilla. Una vez más, se consigue una carga opuesta cuando se carga por inducción, y la varilla cargada no pierde nada de su exceso de carga.

Figura 5.13 Carga por inducción utilizando una conexión a tierra. (a) Se acerca una varilla cargada positivamente a una esfera de metal neutra, polarizándola. (b) La esfera se conecta a tierra, permitiendo que los electrones sean atraídos desde el amplio suministro de la Tierra. (c) Se rompe la conexión a tierra. (d) Se retira la varilla positiva, dejando la esfera con una carga negativa inducida.