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Física Universitaria Volumen 2

5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción

Física Universitaria Volumen 25.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Explicar qué es un conductor.
  • Explicar qué es un aislante.
  • Enumerar las diferencias y las similitudes entre conductores y aislantes.
  • Describir el proceso de carga por inducción.

En la sección anterior, dijimos que los científicos fueron capaces de crear carga eléctrica solo en materiales no metálicos y nunca en metales. Para entender por qué es así, hay que comprender mejor la naturaleza y la estructura de los átomos. En esta sección discutimos cómo y por qué las cargas eléctricas se mueven, o no, a través de los materiales (Figura 5.9). En un capítulo posterior se ofrece una descripción más completa.

Fotografía de una unidad negra de carga de energía que conecta una computadora portátil a una toma de corriente, lo que permite cargarla.
Figura 5.9 Este adaptador de corriente utiliza cables y conectores de metal para conducir la electricidad desde la toma de corriente hasta la computadora portátil. Los alambres conductores permiten que los electrones se muevan libremente a través de los cables, que están protegidos por goma y plástico. Estos materiales actúan como aislantes que no permiten que la carga eléctrica salga al exterior (créditos: modificación del trabajo de "Evan-Amos"/Wikimedia Commons).

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.

Se muestra una vista microscópica de la polarización. Una varilla de vidrio cargada positivamente y con signos positivos está cerca de una esfera conductora neutra con una distribución de carga. Las cargas negativas de la esfera están en el lado cercano a la varilla y las cargas positivas en el lado opuesto a la varilla.
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.

Se muestran vistas microscópicas de los objetos. En la parte a, una barra positiva con signos positivos está cerca de un aislante. Los extremos negativos de todas las moléculas del aislante están alineados hacia la varilla y los extremos positivos de todas las moléculas mostradas como esferas están alejados de la varilla. En la parte b, una varilla con signos negativos está cerca de un aislante. Los extremos positivos de todas las moléculas del aislante están alineados hacia la varilla y los extremos negativos de todas las moléculas mostradas como esferas están alejados de la varilla. En la parte c, una varilla con signos negativos está cerca de un aislante. Solo se muestran las cargas netas en el aislante. La superficie del aislante que está más cercana a la varilla tiene signos positivos. La otra superficie tiene signos negativos.
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.

En la parte a, un par de esferas de metal neutras están en contacto. En la parte b, una varilla con carga positiva está cerca de la superficie de una de las esferas. Los signos negativos se muestran en esta superficie cerca de la varilla y los signos positivos se muestran en la parte más alejada de la superficie de la otra esfera. La varilla cargada provoca la separación de la carga. En la parte c, la varilla cargada positivamente está cerca de las esferas, y estas no están en contacto. Como en la figura b, la superficie exterior de la esfera más cercana a la varilla tiene signos negativos y la superficie lejana de la otra esfera tiene signos positivos. En la parte d, no se muestra la varilla de vidrio. Las cargas están ahora en las superficies interiores de las esferas de metal. Una esfera tiene signos negativos y la otra tiene signos positivos enfrentados.
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.

En la parte a, se acerca una varilla con signo positivo a una esfera de metal neutra. La superficie de la esfera cerca de la varilla tiene signos negativos y la superficie lejos de ella tiene signos positivos. En la parte b, la esfera está conectada a tierra por medio de un cable unido a la superficie más alejada de la varilla. Se muestra la carga negativa moviéndose desde el suelo hasta la esfera. Las cargas negativas de la esfera cerca de la varilla no se ven afectadas, pero hay menos cargas positivas donde la esfera está conectada a tierra. En la parte c, la esfera está desconectada del suelo. La varilla con signo positivo está cerca de una de las superficies de la esfera donde se muestran las cargas negativas, y en la otra superficie no se muestra ninguna carga. En la parte d, la barra positiva está ausente, y la esfera tiene signos negativos en ella distribuidos uniformemente en su superficie.
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.
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