Inducción electrostática

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Separación de carga eléctrica por presencia de otros cargos

Inducción electrostática, también conocida como "influencia electrostática" o simplemente "influir" En Europa y América Latina, es una redistribución de la carga eléctrica en un objeto que se produce por la influencia de cargas cercanas. En presencia de un cuerpo cargado, un conductor aislado desarrolla una carga positiva en un extremo y una carga negativa en el otro. La inducción fue descubierta por el científico británico John Canton en 1753 y el profesor sueco Johan Carl Wilcke en 1762. Los generadores electrostáticos, como la máquina de Wimshurst, el generador de Van de Graaff y el electróforo, utilizan este principio. Véase también Stephen Gray en este contexto. Debido a la inducción, el potencial electrostático (voltaje) es constante en cualquier punto de un conductor. La inducción electrostática también es responsable de la atracción de objetos ligeros no conductores, como globos, papel o trozos de poliestireno, hacia cargas eléctricas estáticas. Las leyes de inducción electrostática se aplican en situaciones dinámicas siempre que la aproximación cuasiestática sea válida.

Explicación

Demostración de la inducción, en los años 1870. El terminal positivo de una máquina electrostática (derecho) se coloca cerca de un cilindro de latón sin carga (izquierda), haciendo que el cilindro esté cerca de la final para adquirir una carga negativa y el extremo lejano para adquirir una carga positiva. Los pequeños electroscopios de bolas de pito colgando de la parte inferior muestran que la carga se concentra en los extremos.

Maníes de esperma aferrarse a la piel de un gato. La electricidad estática que se acumula en la piel causa una polarización de las moléculas del estirofoam debido a la inducción electrostática, lo que resulta en una pequeña atracción del estirofoam a la piel cargada.

Un trozo de materia normal sin carga tiene igual número de cargas eléctricas positivas y negativas en cada parte, ubicadas muy juntas, por lo que ninguna parte tiene una carga eléctrica neta. Las cargas positivas son los átomos' Núcleos que están ligados a la estructura de la materia y no tienen libertad para moverse. Las cargas negativas son los átomos' electrones. En objetos eléctricamente conductores, como los metales, algunos de los electrones pueden moverse libremente dentro del objeto.

Cuando un objeto cargado se acerca a un objeto conductor de electricidad sin carga, como una pieza de metal, la fuerza de la carga cercana debido a la ley de Coulomb provoca una separación de estas cargas internas. Por ejemplo, si se acerca una carga positiva al objeto (ver imagen de un electrodo cilíndrico cerca de una máquina electrostática), los electrones del metal serán atraídos hacia él y se moverán hacia el lado del objeto que está frente a él. Cuando los electrones salen de un área, dejan una carga positiva desequilibrada debido a los núcleos. Esto da como resultado una región de carga negativa en el objeto más cercano a la carga externa y una región de carga positiva en la parte alejada de ella. Éstas se denominan cargas inducidas. Si la carga externa es negativa, la polaridad de las regiones cargadas se invertirá.

Dado que este proceso es solo una redistribución de las cargas que ya estaban en el objeto, no cambia la carga total del objeto; todavía no tiene carga neta. Este efecto de inducción es reversible; si se elimina la carga cercana, la atracción entre las cargas internas positivas y negativas hace que se entremezclen nuevamente.

Cargar un objeto por inducción

Usando un electroscopio para mostrar inducción electrostática. El dispositivo tiene hojas/needle que se cargan al introducir una varilla cargada a ella. Las hojas doblan la licencia/needle, y cuanto más fuerte se introduce la estática, más curvatura ocurre.

Sin embargo, el efecto de inducción también se puede utilizar para poner una carga neta en un objeto. Si, mientras está cerca de la carga positiva, el objeto de arriba se conecta momentáneamente a través de un camino conductor a tierra eléctrica, que es una gran reserva de cargas positivas y negativas, algunas de las cargas negativas del suelo fluirán hacia el objeto. , bajo la atracción de la carga positiva cercana. Cuando se rompe el contacto con la tierra, el objeto queda con una carga neta negativa.

Este método se puede demostrar utilizando un electroscopio de pan de oro, que es un instrumento para detectar carga eléctrica. Primero se descarga el electroscopio y luego se acerca un objeto cargado al terminal superior del instrumento. La inducción provoca una separación de las cargas dentro de la varilla metálica del electroscopio, de modo que el terminal superior gana una carga neta de polaridad opuesta a la del objeto, mientras que las hojas de oro ganan una carga de la misma polaridad. Como ambas hojas tienen la misma carga, se repelen y se separan. El electroscopio no ha adquirido una carga neta: la carga en su interior simplemente se ha redistribuido, por lo que si el objeto cargado se alejara del electroscopio, las hojas se juntarían nuevamente.

Pero si ahora se hace un breve contacto eléctrico entre el terminal del electroscopio y tierra, por ejemplo tocando el terminal con un dedo, esto causa que la carga fluya desde tierra hasta el terminal, atraída por la carga del objeto cercano al Terminal. Esta carga neutraliza la carga en las hojas de oro, por lo que las hojas se juntan nuevamente. El electroscopio ahora contiene una carga neta de polaridad opuesta a la del objeto cargado. Cuando se interrumpe el contacto eléctrico a tierra, p.e. Al levantar el dedo, la carga adicional que acaba de fluir hacia el electroscopio no puede escapar y el instrumento retiene una carga neta. La carga se mantiene en la parte superior del terminal del electroscopio por la atracción de la carga inductora. Pero cuando la carga inductora se aleja, la carga se libera y se propaga por todo el terminal del electroscopio hasta las hojas, por lo que las hojas doradas se separan nuevamente.

El signo de la carga que queda en el electroscopio después de la conexión a tierra siempre tiene el signo opuesto al de la carga inductora externa. Las dos reglas de inducción son:

Si el objeto no se basa, el cargo cercano inducirá iguales y opuesto cargos en el objeto.
Si cualquier parte del objeto se basa momentáneamente mientras la carga de inducción está cerca, una carga opuesta en polaridad a la carga de inducción será atraída desde tierra en el objeto, y se dejará con una carga opuesto al cargo de inducción.

El campo electrostático dentro de un objeto conductor es cero

Una pregunta pendiente es qué tan grandes son las cargas inducidas. El movimiento de las cargas es provocado por la fuerza que ejerce sobre ellas el campo eléctrico del objeto cargado externo, por la ley de Coulomb. A medida que las cargas en el objeto metálico continúan separándose, las regiones positivas y negativas resultantes crean su propio campo eléctrico, que se opone al campo de la carga externa. Este proceso continúa hasta que muy rápidamente (en una fracción de segundo) se alcanza un equilibrio en el que las cargas inducidas tienen exactamente el tamaño y la forma adecuados para cancelar el campo eléctrico externo en todo el interior del objeto metálico. Entonces las cargas móviles restantes (electrones) en el interior del metal ya no sienten fuerza y el movimiento neto de las cargas se detiene.

La carga inducida reside en la superficie

Dado que las cargas móviles (electrones) en el interior de un objeto metálico son libres de moverse en cualquier dirección, nunca puede haber una concentración estática de carga dentro del metal; si lo hubiera, se dispersaría debido a su repulsión mutua. Por tanto, en la inducción, las cargas móviles se mueven a través del metal bajo la influencia de la carga externa de tal manera que mantienen la neutralidad electrostática local; en cualquier región interior la carga negativa de los electrones equilibra la carga positiva de los núcleos. Los electrones se mueven hasta que alcanzan la superficie del metal y se acumulan allí, donde el límite les impide moverse. La superficie es el único lugar donde puede existir una carga eléctrica neta.

Esto establece el principio de que las cargas electrostáticas de los objetos conductores residen en la superficie del objeto. Los campos eléctricos externos inducen cargas superficiales en los objetos metálicos que cancelan exactamente el campo interno.

El voltaje a través de un objeto conductor es constante

El potencial electrostático o tensión entre dos puntos se define como la energía (trabajo) necesaria para mover una pequeña carga positiva a través de un campo eléctrico entre los dos puntos, dividido por el tamaño de la carga. Si hay un campo eléctrico dirigido desde el punto ${displaystyle mathbf {b} }$ al punto ${displaystyle mathbf {a} }$ entonces ejercerá una fuerza sobre una carga que se mueve de ${displaystyle mathbf {a} }$ a ${displaystyle mathbf {b} }$ . El trabajo tendrá que ser hecho a cargo por una fuerza para que se mueva a ${displaystyle mathbf {b} }$ contra la fuerza opuesta del campo eléctrico. Así la energía potencial electrostática de la carga aumentará. Así que el potencial en el punto ${displaystyle mathbf {b} }$ es superior al punto ${displaystyle mathbf {a} }$ . El campo eléctrico ${displaystyle mathbf {E} (mathbf {x})}$ en cualquier punto ${displaystyle mathbf {x} }$ es el gradiente (valor de cambio) del potencial electrostático ${displaystyle V(mathbf {x})}$ :

{displaystyle nabla V=mathbf {E} ,}

Puesto que no puede haber campo eléctrico dentro de un objeto conductivo para ejercer fuerza sobre cargos ${displaystyle (mathbf {E} =0),}$ , dentro de un objeto conductivo el gradiente del potencial es cero

{displaystyle nabla V=mathbf {0} ,}

Otra forma de decir esto es que en electrostática, la inducción electrostática asegura que el potencial (voltaje) a través de un objeto conductor sea constante.

Inducción en objetos dieléctricos

Snippets de papel atraídos por un CD cargado

Un efecto de inducción similar ocurre en objetos no conductores (dieléctricos) y es responsable de la atracción de pequeños objetos ligeros no conductores, como globos, trozos de papel o espuma de poliestireno, hacia cargas eléctricas estáticas (vea la imagen del gato, arriba ), así como la estática en la ropa.

En los no conductores, los electrones están unidos a átomos o moléculas y no son libres de moverse alrededor del objeto como en los conductores; sin embargo pueden moverse un poco dentro de las moléculas. Si se acerca una carga positiva a un objeto no conductor, los electrones de cada molécula son atraídos hacia él y se mueven hacia el lado de la molécula que mira hacia la carga, mientras que los núcleos positivos son repelidos y se mueven ligeramente hacia el lado opuesto de la molécula. Dado que las cargas negativas ahora están más cerca de la carga externa que las cargas positivas, su atracción es mayor que la repulsión de las cargas positivas, lo que resulta en una pequeña atracción neta de la molécula hacia la carga. Este efecto es microscópico, pero como hay tantas moléculas, suma fuerza suficiente para mover un objeto liviano como la espuma de poliestireno.

Este cambio en la distribución de carga en una molécula debido a un campo eléctrico externo se llama polarización dieléctrica, y las moléculas polarizadas se llaman dipolos. Esta no debe confundirse con una molécula polar, que debido a su estructura tiene un extremo positivo y uno negativo, incluso en ausencia de carga externa. Este es el principio de funcionamiento de un electroscopio de bola de médula.

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