Carga en equilibrio electrostático
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Las líneas de campo eléctrico son siempre perpendiculares a la superficie de dicho conductor, ya que si el campo eléctrico tuviera una componente tangencial distinta de cero, las cargas en la superficie del conductor fluirían y violarían la condición de equilibrio.
Se tiene un conductor aislado. Le das una carga. Esta carga es libre de moverse en el conductor. La carga se moverá hasta alcanzar una condición de “equilibrio”. Es decir, la fuerza neta sobre todos los electrones libres es cero y dejan de moverse. Esto se llama condición de equilibrio.
Fórmula del campo eléctrico en la superficie de un conductor
Se introduce un modelo de simulación por ordenador para estudiar las características de los conductores aislados en equilibrio electrostático. Estableciendo una analogía entre los electrones y su desplazamiento hacia la superficie de los conductores aislados, inicializamos aleatoriamente un gran número de partículas dentro de una pequeña región en el centro de los conductores simulados y las hacemos avanzar en función de sus fuerzas de repulsión. Mediante el uso de técnicas numéricas optimizadas del método de partículas de tamaño finito asociado a la ecuación de Poisson, las partículas avanzan rápidamente mediante una transformada rápida de Fourier y su carga se reparte eficientemente mediante el método de nubes en celdas. Las poblaciones de partículas en las simulaciones oscilan entre 50×10;{3} y 1×10;{6} que se mueven en varios dominios de cálculo iguales a 128×128 , 256×256 y 512×512 cuadrículas. Cuando las partículas llegan a un equilibrio electrostático, se sitúan en los límites de los conductores simulados, de los que se obtienen las propiedades de equilibrio. De acuerdo con la teoría de la electrostática y los conductores cargados, encontramos que las partículas se mueven en respuesta a la geometría del conductor de tal manera que la energía electrostática se minimiza. Se obtuvieron buenos resultados de aproximación para las propiedades de equilibrio utilizando el modelo de simulación por ordenador propuesto.
Campo eléctrico fuera de un conductor
Hasta ahora, hemos trabajado generalmente con cargas que ocupan un volumen dentro de un aislante. Ahora estudiaremos lo que ocurre cuando se colocan cargas libres en un conductor. En general, en presencia de un campo eléctrico (generalmente externo), la carga libre en un conductor se redistribuye y alcanza muy rápidamente el equilibrio electrostático. La distribución de carga resultante y su campo eléctrico tienen muchas propiedades interesantes, que podemos investigar con la ayuda de la ley de Gauss.
Si hay un campo eléctrico en el interior de un conductor, éste ejerce fuerzas sobre los electrones libres (también llamados electrones de conducción), que son los electrones del material que no están ligados a un átomo. Estos electrones libres se aceleran. Sin embargo, las cargas en movimiento significan, por definición, condiciones no estáticas, al contrario de lo que suponemos. Por lo tanto, cuando se alcanza el equilibrio electrostático, la carga se distribuye de tal manera que el campo eléctrico dentro del conductor desaparece.
Si se coloca un trozo de metal cerca de una carga positiva, los electrones libres del metal son atraídos por la carga positiva externa y migran libremente hacia esa región. La región a la que se desplazan los electrones tiene entonces un exceso de electrones sobre los protones de los átomos y la región desde la que han migrado los electrones tiene más protones que electrones. En consecuencia, el metal desarrolla una región negativa cerca de la carga y una región positiva en el extremo más alejado (Figura 6.34). Como vimos en el capítulo anterior, esta separación de cargas eléctricas de igual magnitud y de tipo opuesto se llama polarización. Si se elimina la carga externa, los electrones vuelven a migrar y neutralizan la región positiva.
Qué es el equilibrio electrostático
ResumenEl propósito de este estudio fue investigar los conocimientos de los estudiantes de secundaria relacionados con los conductores en equilibrio electrostático y las líneas de campo eléctrico. Se prefirió el modelo descriptivo de acuerdo con el propósito del estudio. La muestra del estudio consistió en 35 estudiantes de 11º grado, 18 mujeres y 16 hombres, que estaban matriculados en una escuela secundaria estatal de Turquía. Los participantes habían aprendido previamente las líneas de campo eléctrico en sus cursos. Los datos de la investigación se recogieron mediante una escala de dibujo que constaba de tres secciones preparadas por los investigadores. A continuación, se pidió a los alumnos que explicaran sus dibujos. Se aplicó un análisis descriptivo a las respuestas de los alumnos. Según los resultados obtenidos del análisis, la propiedad de las líneas de campo eléctrico que más se reflejó fue “las líneas de campo eléctrico no se cruzan”, mientras que la propiedad que menos se reflejó fue “las líneas de campo eléctrico se dibujan paralelas a la superficie”. Asimismo, se observó que los alumnos confundían el concepto de campo eléctrico con el de corriente eléctrica, y el de líneas de campo eléctrico con el de líneas de campo magnético. Además, se comprobó que los alumnos no entendían la dirección del campo eléctrico ni la naturaleza vectorial del campo eléctrico, y creían que las líneas de campo eléctrico eran reales. Los conocimientos de los alumnos no se basaban en fundamentos científicos.
