inducción electrostática

Separación de carga eléctrica por presencia de otras cargas.

La inducción electrostática , también conocida como "influencia electrostática" o simplemente "influencia" en Europa y Latinoamérica, es una redistribución de carga eléctrica en un objeto que es provocada por la influencia de cargas cercanas. ^[1] En presencia de un cuerpo cargado, un conductor aislado desarrolla una carga positiva en un extremo y una carga negativa en el otro extremo. ^[1] La inducción fue descubierta por el científico británico John Canton en 1753 y el profesor sueco Johan Carl Wilcke en 1762. ^[2] 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. ^[3] La inducción electrostática también es responsable de la atracción de objetos ligeros no conductores, como globos, papel o restos de espuma de poliestireno, hacia cargas eléctricas estáticas. Las leyes de inducción electrostática se aplican en situaciones dinámicas siempre que la aproximación cuasiestática sea válida.

Explicación

Un trozo de materia normal sin carga tiene el mismo número de cargas eléctricas positivas y negativas en cada parte, ubicadas muy juntas, por lo que ninguna parte tiene una carga eléctrica neta. ^{[4] : p.711–712} Las cargas positivas son los núcleos de los átomos que están unidos a la estructura de la materia y no tienen libertad para moverse. Las cargas negativas son los electrones de los átomos . 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. ^{[4] : p.712} Por ejemplo, si se acerca una carga positiva al objeto (ver imagen del electrodo cilíndrico cerca de la 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 llaman cargas inducidas . Si la carga externa es negativa, la polaridad de las regiones cargadas se invertirá.

Dado que este proceso es sólo 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

Electroscopio de pan de oro, que muestra la inducción (polaridad de las cargas etiquetada), antes de que el terminal se conecte a tierra.

Usando un electroscopio para mostrar la inducción electrostática. El dispositivo tiene hojas/aguja que se cargan al introducirle una varilla cargada. Las hojas doblan la hoja/aguja y cuanto más fuerte se introduce la estática, más se dobla.

Sin embargo, el efecto de inducción también se puede utilizar para poner una carga neta sobre un objeto. ^{[4] : p.711–713} Si, mientras está cerca de la carga positiva, el objeto anterior 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 Las cargas 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.

This method can be demonstrated using a gold-leaf electroscope, which is an instrument for detecting electric charge. The electroscope is first discharged, and a charged object is then brought close to the instrument's top terminal. Induction causes a separation of the charges inside the electroscope's metal rod, so that the top terminal gains a net charge of opposite polarity to that of the object, while the gold leaves gain a charge of the same polarity. Since both leaves have the same charge, they repel each other and spread apart. The electroscope has not acquired a net charge: the charge within it has merely been redistributed, so if the charged object were to be moved away from the electroscope the leaves will come together again.

But if an electrical contact is now briefly made between the electroscope terminal and ground, for example by touching the terminal with a finger, this causes charge to flow from ground to the terminal, attracted by the charge on the object close to the terminal. This charge neutralizes the charge in the gold leaves, so the leaves come together again. The electroscope now contains a net charge opposite in polarity to that of the charged object. When the electrical contact to earth is broken, e.g. by lifting the finger, the extra charge that has just flowed into the electroscope cannot escape, and the instrument retains a net charge. The charge is held in the top of the electroscope terminal by the attraction of the inducing charge. But when the inducing charge is moved away, the charge is released and spreads throughout the electroscope terminal to the leaves, so the gold leaves move apart again.

The sign of the charge left on the electroscope after grounding is always opposite in sign to the external inducing charge.^[5] The two rules of induction are:^[5][6]

• If the object is not grounded, the nearby charge will induce equal and opposite charges in the object.
• If any part of the object is momentarily grounded while the inducing charge is near, a charge opposite in polarity to the inducing charge will be attracted from ground into the object, and it will be left with a charge opposite to the inducing charge.

The electrostatic field inside a conductive object is zero

Cargas superficiales inducidas en objetos metálicos por una carga cercana. El campo electrostático (líneas con flechas) de una carga positiva cercana (+) hace que las cargas móviles de los objetos metálicos se separen. Las cargas negativas (azul) son atraídas y se mueven hacia la superficie del objeto frente a la carga externa. Las cargas positivas (rojas) son repelidas y se mueven hacia la superficie de espaldas. Estas cargas superficiales inducidas crean un campo eléctrico opuesto que cancela exactamente el campo de la carga externa en todo el interior del metal. Por lo tanto, la inducción electrostática garantiza que el campo eléctrico en todo el interior de un objeto conductor sea 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. ^[3] 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. ^{[3] [7]} Entonces las cargas móviles restantes (electrones) en el interior del metal ya no sienten una fuerza y ​​el movimiento neto de las cargas se detiene. ^[3]

La carga inducida reside en la superficie.

Dado que las cargas móviles (electrones) en el interior de un objeto metálico pueden moverse libremente en cualquier dirección, nunca puede haber una concentración estática de carga dentro del metal; si lo hubiera, se dispersaría debido a su repulsión mutua. ^[3] 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. ^[3] La superficie es el único lugar donde puede existir una carga eléctrica neta. ^{[4] : p.754}

Esto establece el principio de que las cargas electrostáticas de los objetos conductores residen en la superficie del objeto. ^{[3] [7]} Los campos eléctricos externos inducen cargas superficiales en los objetos metálicos que cancelan exactamente el campo interno. ^[3]

El voltaje a través de un objeto conductor es constante.

El potencial electrostático o voltaje 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, dividida por el tamaño de la carga. Si hay un campo eléctrico dirigido de un punto a otro , ejercerá una fuerza sobre una carga que se mueve de a . Una fuerza tendrá que realizar trabajo sobre la carga para que se mueva contra la fuerza opuesta del campo eléctrico. Por tanto, la energía potencial electrostática de la carga aumentará. Entonces el potencial en el punto es mayor que en el punto . El campo eléctrico en cualquier punto es el gradiente (tasa de cambio) del potencial electrostático  : ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$ ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {b} }$ ${\displaystyle \mathbf {a} }$ ${\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {x} )}$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle V(\mathbf {x} )}$

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {E} \,}$

Dado que no puede haber ningún campo eléctrico dentro de un objeto conductor para ejercer fuerza sobre las cargas , dentro de un objeto conductor el gradiente de potencial es cero ^[3] ${\displaystyle (\mathbf {E} =0)\,}$

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {0} \,}$

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.

Fragmentos 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 ^{[8] [9] [10]} (ver imagen de 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 , ^[8] 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 . ^[11]

Referencias

1. "Inducción electrostática". Britannica.com en línea . Britannica.com Inc. 2008 . Consultado el 25 de junio de 2008 .
2. Fleming, John Ambrose (1911). "Electricidad"  . En Chisholm, Hugh (ed.). Enciclopedia Británica . vol. 9 (11ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. Págs. 179-193, consulte la página 181, segundo párrafo, tres líneas desde el final. ... el sueco Johann Karl Wilcke (1732-1796), entonces residente en Alemania, quien en 1762 publicó un relato de experimentos en los que....
3. Purcell, Edward M.; David J. Morín (2013). Electricidad y magnetismo. Universidad de Cambridge. Prensa. págs. 127-128. ISBN 978-1107014022.
4. Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (2010). Fundamentos de Física (9 ed.). John Wiley e hijos. ISBN 9780470469118.
5. Cope, Thomas A. Darlington. Física. Biblioteca de Alejandría. ISBN 1465543724.
6. Hadley, Harry Edwin (1899). Magnetismo y electricidad para principiantes. Macmillan y compañía. pag. 182.
7. Saslow, Wayne M. (2002). Electricidad, magnetismo y luz. Estados Unidos: Academic Press. págs. 159-161. ISBN 0-12-619455-6.
8. Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Materia e Interacciones (3ª ed.). Estados Unidos: John Wiley and Sons. págs. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
9. Paul E. Tippens, Carga eléctrica y fuerza eléctrica, presentación de Powerpoint, páginas 27-28, 2009, S. Polytechnic State Univ. Archivado el 19 de abril de 2012 en Wayback Machine en el sitio web DocStoc.com.
10. Henderson, Tom (2011). "Carga e interacciones de carga". Electricidad Estática, Lección 1 . El Aula de Física . Consultado el 1 de enero de 2012 .
11. Kaplan MCAT Física 2010-2011. Estados Unidos: Editorial famosa. 2009. pág. 329.ISBN​ 978-1-4277-9875-6. Archivado desde el original el 31 de enero de 2014.

enlaces externos

• Medios relacionados con la inducción electrostática en Wikimedia Commons
• "Carga por inducción electrostática". Centro de preparación de exámenes Regents . Distrito escolar de la ciudad de Oswego. 1999. Archivado desde el original el 28 de agosto de 2008 . Consultado el 25 de junio de 2008 .