Polarización e inducción eléctrica: ¿Qué es y cómo funciona? (con ejemplos)

Incluso si es nuevo en la disciplina de la ciencia física conocida como electromagnetismo, es probable que sepa que las cargas similares se repelen y las cargas opuestas se atraen; es decir, una carga positiva será atraída por una carga negativa pero tenderá a repeler otra carga positiva, con la misma regla simple manteniéndose al revés. (Esta es la base del dicho cotidiano "los opuestos se atraen"; si esto es cierto en el romance es quizás una pregunta abierta, pero ciertamente es el caso cuando se trata de cargas eléctricas en átomos y moléculas).

Sin embargo, es posible que no sepa que es posible que un objeto cargado sea atraído por un objeto neutral, es decir, un objeto sin carga neta. Esto es posible a través del fenómeno depolarización de carga, lo que explica el hecho de que las moléculas que son eléctricamente neutras en general pueden tener una distribución de carga asimétrica dentro de ellas. A modo de analogía, una ciudad puede tener el mismo número de residentes menores de 40 y mayores de 40, pero su distribución dentro de las fronteras de la ciudad es casi con certeza asimétrica.

• ​Moléculasson colecciones de dos o más átomos que representan la unidad química más pequeña de un compuesto en particular; estos átomos pueden representar el mismo elemento, como oxígeno gaseoso (O₂), o incluir varios elementos, como con el dióxido de carbono (CO₂).

La transferencia de carga eléctrica porinducción- es decir, sin tocar directamente los objetos que intercambian cargas en forma de electrones libres - gira en torno a la estrategia la colocación de conductores, que son materiales a través de los cuales fluye la corriente fácilmente, y aislantes, que son materiales a través de los cuales la corriente no puede flujo. Pero más que eso, se basa en la polarización de objetos completos que surgen de la polarización de sus moléculas constituyentes, que se pueden modular con el uso de un campo eléctrico.

De manera similar a la forma en que las ecuaciones de movimiento lineal y rotacional son análogas entre sí, las matemáticas subyacentes a los efectos de uncampo eléctrico​ ​miactuar sobre cargas puntuales se parece mucho a describir los efectos de un campo gravitacional que actúa sobre masas puntuales. La fuerza de un campo eléctrico está dada por

• El vector de campo eléctrico apunta en la misma dirección que el vector de fuerza eléctrica cuandoqes positivo. Las unidades demison newtons por culombio (N / C).

Las cargas puntuales establecen sus propios campos eléctricos. (Recuerde que las cargas "puntuales" pueden tener cualquier magnitud y aún así no se concibe que ocupen ningún volumen). La expresión para esto es:

dóndekes la constante 9 × 10⁹ Nuevo Méjico²/C² yres el desplazamiento (distancia y dirección) entre la carga y cualquier punto en el que se evalúe el campo. La combinación de las dos ecuaciones principales anteriores da:

Esta relación se conoce comoley de Coulomb​.

Si cada carga puntual establece su propio campo eléctrico, ¿es posible tener un campo eléctrico uniforme, es decir, uno en el que la magnitud y dirección demi¿es el mismo? Por razones que verá, se requiere un campo uniforme para que la fuerza neta en un dipolo sea cero.

Colocar dos placas conductoras infinitamente grandes paralelas entre sí y colocar un material aislante, o material dieléctrico, entre ellas permite un campo eléctrico que se generará si se establece un voltaje (diferencia de potencial eléctrico) entre ellos, como cuando las diferentes placas están unidas a un batería.

Esta disposición es aproximada en la fabricación decondensadores, que almacenan carga eléctrica en circuitos. Las líneas del campo eléctrico son perpendiculares a las placas y apuntan hacia la placa negativa. Pero, ¿cómo se acumulan las cargas en las superficies de estas unidades para empezar?

Los campos eléctricos netos no pueden existir dentro de los conductores. Esto se debe a que, si los electrones pueden moverse libremente, lo harán hasta que estén en equilibrio, donde la suma de todas las fuerzas y momentos de torsión es cero, y como F = qE,midebe ser cero. En otras palabras, el movimiento de electrones libres en un conductor borra cualquier campo eléctrico que existiría al "nivelarlo" a través de un cambio en los electrones.

La situación dentro de los aisladores es bastante diferente. Todos los átomos consisten en un núcleo cargado positivamente rodeado por una nube de electrones. En presencia de un campo eléctrico externo (quizás causado por la presencia de un objeto cargado), las nubes de electrones pueden cambiar, lo que resulta en unamomento bipolary una fuerza eléctrica neta.

Aunque no hay carga neta en un aislante, si se toma una muestra de cualquier porción de él, la presencia de momentos dipolares conduce a la acumulación de carga neta positiva en un lado de la muestra y una carga neta negativa en el otro lado. Pero las cargas en realidad no se acumulan en la superficie, como ocurre con los conductores, debido al movimiento limitado de los electrones en estos materiales.

La polarización ocurre cuando los electrones dentro de un objeto con carga neutra cambian su posición promedio con respecto a la protones, lo que da como resultado dos "grupos" de electrones (áreas de densidad de electrones aumentada localizada) por molécula y un dipolo momento. Los dos cargos sonqigual en magnitud y opuesto en signo. En un dipolo molecular, el grado de polarización está determinado por la susceptibilidad eléctrica del material.pag= qD= el momento dipolar de unúnicodipolo en un material dieléctrico.

Para tener una idea del efecto del campo eléctrico.midentro del aislador en su conjunto, considere un material con una densidad volumétrica dipolo denortecarga dipolos por unidad de volumen. Ahora está considerando una gran cantidad de dipolos adyacentes, con una ligera carga positiva en un extremo de cada dipolo y una ligera carga negativa en el otro extremo. (Esto resulta endipolo-dipoloatracciones entre cargas + y - en dipolos de extremo a extremo.)

La densidad de polarización dieléctricaPAGcaracteriza la concentración de dipolos en el material como resultado de la influencia del campo eléctrico dentro de él:PAG= Npag= NqD.​

​PAGes proporcional a la fuerza del campo eléctrico, como era de esperar. Esta relación está dada porPAG​ = ε₀χ₀​mi, donde ε₀ es la constante eléctrica y χ₀ es la susceptibilidad eléctrica.

Algunas moléculas ya están polarizadas naturalmente. Son las llamadas moléculas polares. Un ejemplo de molécula polar es el agua, que consta de dos átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de oxígeno. El h₂La molécula de O en sí es simétrica en el sentido de que se puede dividir en mitades iguales mediante un plano colocado entre ellas en la orientación correcta.

Los enlaces entre los átomos de hidrógeno y los átomos de oxígeno dentro de la misma molécula son enlaces covalentes, pero esosentre estos átomos en diferentes moléculas de aguason llamadosenlaces de hidrógeno. Los electrones compartidos en enlaces covalentes entre el hidrógeno y el oxígeno se encuentran mucho más cerca del átomo de oxígeno, lo que hace que el átomo de oxígeno en H₂O electronegativo y los átomos de hidrógeno electropositivos. La formación resultante de enlaces de hidrógeno entre moléculas adyacentes es, por tanto, una consecuencia de la polaridad de las moléculas, que se propaga por toda la muestra de agua.

Si sostiene un objeto cargado cerca de una fina corriente de agua de un grifo (que es un conductor debido solo a la presencia de iones y otras impurezas), puede ver que la corriente de agua se mueve ligeramente hacia el objeto debido a este efecto. Esto se debe a que las moléculas se orientan a sí mismas de modo que el extremo de la molécula con la carga opuesta apunte hacia el objeto cargado.

El fenómeno de la separación de carga ocurre de manera un poco diferente en los conductores que en los dieléctricos. En lugar de que las moléculas se conviertan en dipolos, se induce a los electrones libres a moverse hacia un lado del material.

Una varilla de vidrio, que es un aislante, puede recolectar electrones libres y cargarse si se pasa por una superficie como la lana. (Este es un ejemplo del otro tipo de transferencia de carga,estafaducción o contacto directo.) Si una varilla cargada negativamente se acerca a la bola de unelectroscopiosin tocarlo, los electrones se "alejarán" y se moverán libremente a lo largo de las superficies conductoras de la bola hacia el par de hojas de aluminio que cuelgan en el interior. Verás que las hojas se repelen entre sí.

Tenga en cuenta que el electroscopio sigue siendo eléctricamente neutro en total, pero la carga se distribuye de manera diferente. La "huida" de los electrones hacia las hojas del interior se equilibra con el asentamiento de cargas positivas donde la barra está cerca de la esfera.

Si tuvieras que realmentetocarla barra cargada a la bola, los electrones se transferirán desde la barra debido a las cargas positivas cercanas. Cuando retire la varilla, el electroscopio permanecerá cargado, pero las cargas negativas se distribuirán uniformemente por toda la bola.

Ahora, está en condiciones de juntar todo esto y observar lo que sucede cuando coloca una varilla cargada cerca de un conductor que puedeademásestar conectado a otra cosa. (Acercar una varilla cargada a una esfera conductora y tirar de ella para hacer que los propios electrones de la esfera "bailen" en respuesta puede resultar aburrido después de un tiempo.

Suponga que tiene una varilla aislante cargada y la acerca a una esfera conductora sólida conectada al suelo mediante un poste aislante. Aunque las secciones anteriores han descrito los dipolos en términos de moléculas individuales en dieléctricos, el mismo fenómeno se induce "en masa" en un conductor mediante inducción. Si el conductor es una esfera (bola), los electrones del conductor fluirán hacia la superficie del hemisferio opuesto a la punta de la varilla.

Imagínese lo que sucede si, mientras un amigo sostiene la caña desde arriba en su lugar, usted desliza una segunda bola conductora, también neutra, contra la primera, directamente opuesta a la ubicación de la caña. Los electrones reunidos allí aprovecharán la oportunidad de alejarse aún más de la barra y sus electrones repelentes, y se moverán hacia el lado más alejado deestoesfera.

Ahora puedes ser creativo. Si desea que la segunda bola permanezca cargada, simplemente separe las dos bolasmientras la varilla todavía está en su lugar(y por lo tanto "distraen" las cargas positivas). Los electrones se habrán transferido finalmente desde la barra a la segunda esfera, donde se distribuyen uniformemente por su superficie. La primera bola vuelve a su estado inicial neutral y uniforme.

• Los objetos no simétricos se rigen por las mismas reglas físicas, pero no es tan fácil averiguar el comportamiento "exacto" de los electrones como en el caso de las esferas.

¿Alguna vez te has preguntado quécables de tierrahacer, o como funcionan? La Tierra se considera eléctricamente neutra, pero es lo suficientemente vasta como para absorber las perturbaciones locales a cargo sin consecuencias. Debido a esto, la Tierra puede actuar como un gran depósito o amortiguador de carga, suministrando electrones según sea necesario a través de cables de tierra para neutralizar objetos con carga positiva, o aceptarlos de objetos con carga negativa a través del cable en el lado opuesto dirección.

Por lo tanto, para evitar voltajes no deseados gracias a la considerable acumulación de cargas netas en grandes objetos conductores, los cables de tierra ofrecen una característica de seguridad en un mundo moderno altamente eléctrico.