Conductores y Aislantes

Introducción

Hola chicos! Vamos a comenzar viendo una propiedad fundamental de todos los cuerpos físicos: la carga eléctrica.

Existen cuatro aspectos principales que debemos saber sobre las cargas eléctricas, que son:

1. Las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas. 

2. Cargas de signos iguales se repelen y cargas de signos opuestos se atraen.

3. Los cuerpos eléctricamente neutros tienen cantidades iguales de cargas positivas y negativas.

4. Los cuerpos eléctricamente cargados tienen cantidades distintas de cargas positivas y negativas.

Okay, ahora que ya sabemos lo fundamental sobre las cargas eléctricas, podemos avanzar un poquito más. 

Materiales Conductores y Aislantes

Por lo tanto, podemos clasificar los materiales de acuerdo a la facilidad con la que las cargas eléctricas se mueven en su interior:

• Materiales conductores: las cargas se mueven con mucha facilidad (y las cargas eléctricas en movimiento generan corriente eléctrica).

Algunos ejemplos son: los metales (tales como cobre, plata, y oro), el agua del grifo e inclusive, el cuerpo humano.

• Materiales aislantes: las cargas prácticamente no pueden moverse. 

Ejemplos: los plásticos, el caucho/goma, el vidrio, el agua destilada, la madera, etc.

Básicamente, si conectamos un cuerpo aislante entre dos terminales de una toma de corriente, no habrá paso de corriente eléctrica (o, en la práctica, la corriente eléctrica será aproximadamente igual a cero), ya que las cargas en el interior de ese cuerpo (casi) no se moverán.

Pero ¿cómo las cargas eléctricas se comportan en esos materiales?

En un cuerpo conductor, la carga se distribuye apenas en la superficie del objeto, ya sea cuando esté cargado eléctricamente o bajo inducción electrostática (hablaremos mejor sobre eso luego).

Por ejemplo: al colocar una barra de cobre, con carga inicialmente neutra, en un cuerpo positivamente cargado, parte de las cargas negativas será transferida al cuerpo cargado, distribuyendose por la superficie del mismo, hasta alcanzar el equilibrio electrostático.

En general, veremos que las cargas que se mueven son las negativas (los electrones), y que cuando un cuerpo está cargado positivamente,quiere decir que tiene carencia de electrones y cuando está cargado negativamente tiene exceso de electrones.

En el caso de un cuerpo aislante, la carga se encontraría distribuida por todo el cuerpo, ya que no conseguiría moverse a la superficie, permaneciendo en esas posiciones en equilibrio electrostático.

Esferas conductoras en contacto

Pero ¿cómo funciona eso? Vamos a ver dos ejemplos:

Dos esferas conductoras de mismo radio \(R\) inicialmente con cargas \(Q\) y \(-2 Q\) son puestas en contacto. Después del equilibrio electrostático se separan. Cual es la carga en cada una de las esferas después de su separación?

Inicialmente tenemos esta situación:

Y al final las dos esferas tendrán la misma carga \(Q^{\prime}\) ya que las dos son iguales!

En las dos situaciones tenemos que la carga total del sistema es igual, pues esta se conserva, es decir:

\(Q+(-2 Q)=Q^{\prime}+Q^{\prime}\)

\(-Q=2 Q^{\prime}\)

\(Q^{\prime}=-\frac{Q}{2}\)

Cada esfera tendrá la misma carga \(Q / 2\)!

Ej: Una esfera de radio \(R\) y carga \(Q\) entra en contacto con una esfera de radio \(r=R / 2\)  y neutra. Después del equilibrio electrostático son separadas. Cual es la carga en cada una de las esferas después de su separación?

Inicialmente tenemos que

En la situación final no podemos decir que las cargas en las dos esferas son iguales entre sí! ¡Eso porque no son iguales! Vamos a llamarlas \(Q^{\prime}\) y \(q\) entonces!

Por la conservación de carga tenemos que la suma de cargas en la situación inicial es igual a la suma de la situación final!

\(Q+0=Q^{\prime}+q^{\prime}\)

Tenemos dos incógnitas (\(Q^{\prime}\) y \(q^{\prime}\)) y solamente una ecuación! Tenemos que buscar una segunda ecuación para resolver eso! Esa segunda ecuación es esta de aquí

\(\frac{Q^{\prime}}{R}=\frac{q^{\prime}}{r}\)

O sea, luego del equilibrio electrostático, la razón entre la carga y el radio de las dos esferas es igual! Más tarde veremos que significa que el potencial de ambas esferas sea igual, pero vamos a tener en cuenta esta situación!

Como \(r=R / 2\),tenemos 

\(\frac{Q^{\prime}}{R}=\frac{q^{\prime}}{\frac{R}{2}} \rightarrow Q^{\prime}=2 q^{\prime}\)

Es decir, ¡la carga en la esfera más grande es mayor! ¡Eso es porque podemos ponerle más carga para que no estén tan juntas! Combinando esta ecuación con la otra de conservación de carga encontramos que

\(Q^{\prime}=2 Q / 3\)

Y

\(q^{\prime}=Q / 3\)

Ahora, podemos ir a la práctica!