La inducción electrostática , también conocida como «influencia electrostática» o simplemente «influencia» en Europa y América Latina, es una redistribución de la carga eléctrica en un objeto que es causada 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 a lo largo de un conductor. [3] La inducción electrostática también es responsable de la atracción de objetos ligeros no conductores, como globos, papel o restos de poliestireno, a cargas eléctricas estáticas. Las leyes de inducción electrostática se aplican en situaciones dinámicas siempre que la aproximación cuasiestática sea válida.
Un trozo de materia normal sin carga tiene cantidades iguales de cargas eléctricas positivas y negativas en cada una de sus partes, ubicadas muy cerca unas de otras, por lo que ninguna parte de ella tiene una carga eléctrica neta. [4] : p.711–712 Las cargas positivas son los núcleos de los átomos que están ligados a la estructura de la materia y no son libres de moverse. Las cargas negativas son los electrones de los átomos . En objetos eléctricamente conductores como los metales, algunos de los electrones pueden moverse libremente en el objeto.
Cuando un objeto cargado se acerca a un objeto conductor de electricidad no cargado , como un trozo 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 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 se mueven fuera 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 más alejada de ella. Estas se llaman cargas inducidas . Si la carga externa es negativa, la polaridad de las regiones cargadas se invertirá.
Como este proceso es simplemente una redistribución de las cargas que ya estaban en el objeto, no cambia la carga total del mismo; sigue sin tener 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 vuelvan a entremezclar.
Sin embargo, el efecto de inducción también se puede utilizar para poner una carga neta en un objeto. [4] : p.711–713 Si, mientras está cerca de la carga positiva, el objeto anterior se conecta momentáneamente a través de una ruta conductora a tierra eléctrica , que es un gran reservorio de cargas positivas y negativas, algunas de las cargas negativas en la tierra fluirán hacia el objeto, bajo la atracción de la carga positiva cercana. Cuando se interrumpe el contacto con tierra, el objeto queda con una carga negativa neta.
Este método se puede demostrar utilizando un electroscopio de hoja de oro , que es un instrumento para detectar la 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 obtiene una carga neta de polaridad opuesta a la del objeto, mientras que las hojas de oro obtienen una carga de la misma polaridad. Como ambas hojas tienen la misma carga, se repelen entre sí y se separan. El electroscopio no ha adquirido una carga neta: la carga dentro de él simplemente se ha redistribuido, por lo que si el objeto cargado se alejara del electroscopio, las hojas se unirían nuevamente.
Pero si ahora se establece un breve contacto eléctrico entre el terminal del electroscopio y tierra , por ejemplo tocando el terminal con un dedo, esto hace que fluya carga 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 opuesta en polaridad a la del objeto cargado. Cuando se interrumpe el contacto eléctrico con tierra, por ejemplo 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 extiende por todo el terminal del electroscopio hasta las hojas, por lo que las hojas de oro se separan nuevamente.
El signo de la carga que queda en el electroscopio después de la conexión a tierra es siempre opuesto en signo a la carga inductora externa. [5] Las dos reglas de inducción son: [5] [6]
Una pregunta que queda por responder es qué tan grandes son las cargas inducidas. El movimiento de las cargas es causado por la fuerza que ejerce sobre ellas el campo eléctrico del objeto cargado externo, según 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]
Como las cargas móviles (electrones) en el interior de un objeto metálico tienen libertad de movimiento en cualquier dirección, nunca puede haber una concentración estática de carga dentro del metal; si la hubiera, se dispersaría debido a su repulsión mutua. [3] Por lo 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 en objetos conductores residen en la superficie del objeto. [3] [7] Los campos eléctricos externos inducen cargas superficiales en objetos metálicos que cancelan exactamente el campo interno. [3]
El potencial electrostático o voltaje entre dos puntos se define como la energía (trabajo) requerida 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 de un punto a otro , ejercerá una fuerza sobre una carga que se mueve de a . Se deberá realizar un trabajo sobre la carga mediante una fuerza para hacer que se mueva hacia en contra de la fuerza opuesta del campo eléctrico. Por lo tanto, la energía potencial electrostática de la carga aumentará. Por lo tanto, 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 :
Como no puede haber ningún campo eléctrico dentro de un objeto conductor para ejercer fuerza sobre las cargas , dentro de un objeto conductor el gradiente del potencial es cero [3]
Otra forma de decir esto es que en electrostática, la inducción electrostática asegura que el potencial (voltaje) a lo largo de un objeto conductor sea constante.
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 poliestireno , a las cargas eléctricas estáticas [8] [9] [10] (ver imagen del gato, arriba) , así como de la electricidad estática en la ropa.
En los no conductores, los electrones están ligados a átomos o moléculas y no tienen libertad para 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. Como las cargas negativas están ahora más cerca de la carga externa que las cargas positivas, su atracción es mayor que la repulsión de las cargas positivas, lo que da como resultado una pequeña atracción neta de la molécula hacia la carga. Este efecto es microscópico, pero como hay tantas moléculas, se suma la fuerza suficiente para mover un objeto ligero como el 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 . Esto no debe confundirse con una molécula polar , que tiene un extremo positivo y uno negativo debido a su estructura, incluso en ausencia de carga externa. Este es el principio de funcionamiento de un electroscopio de bolas de médula . [11]
... el sueco Johann Karl Wilcke (1732-1796), que entonces residía en Alemania, quien en 1762 publicó un relato de experimentos en los que...
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