MEDIOS MATERIALES ANTE CAMPOS ELÉCTRICOS

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1 MEDIOS MATERIALES ANTE CAMPOS ELÉCTRICOS Desde la perspectiva eléctrica los distintos medios se clasifican en los siguientes grupos: 1.- MATERIALES AISLANTES O DIELÉCTRICOS 2.- MATERIALES SEMICONDUCTORES 3.- MATERIALES CONDUCTORES 4.- MATERIALES SUPERCONDUCTORES Nos centraremos en los grupos 3) y 1) 3.- LOS MEDIOS CONDUCTORES, como por ejemplo todos los metales, están formados por átomos que al unirse para formar el cristal (agregado macroscópico) dejan libre (no participan del enlace) uno o más electrones (portadores de carga libres) que se mueven al azar (debido a la energía térmica) por toda la estructura del material. Debido a estos portadores de carga un conductor puede usarse para dejar pasar carga desde un cuerpo cargado electrostáticamente a otro CONDUCTOR EN EQUILIBRIO Se dice que un CONDUCTOR AISLADO ESTÁ EN EQUILIBRIO cuando la fuerza sobre los portadores de carga es nula COMPORTAMIENTO DE UN CONDUCTOR EN PRESENCIA DE UN CAMPO ELECTROSTÁTICO. Cuando se coloca un conductor en presencia de un campo eléctrico, E aparecen fuerzas sobre los portadores de carga libre que los mueve hacia unas zonas en el sentido contrario del campo original, esto provoca una distribución de carga en la superficie del conductor de modo que en cada punto P tendremos una densidad superficial de carga * σ P que crea un campo eléctrico extra E que se opone al exterior hasta conseguir el ( ) equilibrio. Por tanto, en el equilibrio el campo resultante en el conductor * = E + E [C1] E c = E c será nulo. Una pregunta de interés sería Cuánto tiempo tarda en formarse esa distribución superficial de carga debida al movimiento de los portadores? La respuesta se mide por medio de un parámetro llamado tiempo de relajación τ que tiene órdenes de magnitud de nanosegundos o inferiores. A efectos prácticos diremos que es instantáneo. Como el campo eléctrico representa las variaciones del potencial eléctrico con el desplazamiento, entonces el conductor representa un volumen equipotencial, siendo la superficie del conductor una superficie equipotencial E c Δϕ = = ϕc = constante = ϕeq [C2] Δ r Todo esto nos lleva a que el campo eléctrico original E sufre una deformación de modo que en el exterior y en las proximidades del conductor (en particular sobre su superficie) el campo eléctrico, debido a que las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las superficies equipotenciales, en cada punto es perpendicular a la superficie y tiene por magnitud el valor de E sc = σ /ε. 1

2 Resumiendo podemos afirmar: A. TODA CARGA ELÉCTRICA DESEQUILIBRADA EN UN CONDUCTOR ESTÁ EN SU SUPERFICIE. B. EL CAMPO ELÉCTRICO EN LA SUPERFICIE DEL CONDUCTOR SERÁ PERPENDICULAR A LA SUPERFICIE EN CADA PUNTO Y TENDRÁ UN VALOR PROPORCIONAL A LA DENSIDAD SUPERFICIAL DE CARGA DE CADA PUNTO. C. EL CAMPO ELECTROSTÁTICO, EN EL INTERIOR DE UN CONDUCTOR EN EQUILIBRIO, ES CERO SIENDO EL CONDUCTOR, EL VOLUMEN Y SU SUPERFICIE, EQUIPOTENCIAL. En las figuras que siguen se muestra cómo se desarrolla el proceso, donde inicialmente en todo volumen elemental del conductor las densidades de carga positiva y negativa son iguales en promedio. (a) Se muestra un conductor en un campo uniforme justo en el instante de situarlo en un campo eléctrico uniforme. 2

3 (b) En ésta el campo eléctrico empieza a actuar tanto sobre los portadores de carga (móviles) como sobre los iones positivos fijos en la estructura (inmóviles) 3

4 (c) Una vez alcanzado el equilibrio, tenemos una distribución de carga superficial, de modo que en el conductor no existe campo eléctrico y en el exterior se ha deformado para lograr que el conductor sea una equipotencial y el campo en el exterior y sobre la superficie del conductor sea perpendicular a la superficie en cada punto. 3.3) CORRIENTE ELÉCTRICA En el epígrafe anterior hemos dicho que las fuerzas eléctricas que actúan sobre los portadores de carga libre les obligan a moverse; a dicho movimiento de los portadores de carga, que no tiene un origen térmico, se le llama corriente eléctrica que se define, más concretamente como la cantidad de carga, que por unidad de tiempo, atraviesa una cierta área o superficie de un medio dado. Así si en nuestro conductor aislado anterior hubiésemos elegido una sección cualquiera veríamos que la ha atravesado una cantidad de carga por lo que en el medio decimos que se ha establecido una corriente (corrientes transitorias) durante un pequeñísimo intervalo temporal (mientras el campo eléctrico era distinto de cero). La unidad de corriente, en el S.I. (sistema internacional de unidades) es el amperio (A). i [ Amperios ] [ Culombios] [ segundos] Δ q = [C3] Δ t 4

5 * El sentido convencional de la corriente eléctrica es el del sentido del movimiento hipotético que seguirían unos portadores de carga positivos. En consecuencia los electrones se mueven en un sentido contrario a la corriente. * En el caso de movimiento de iones en disoluciones (por ejemplo en los seres vivos, etc.) los portadores de carga de la corriente pueden ser positivos y negativos. * Así que si queremos mantener corrientes permanentes en un medio debe existir en él un campo eléctrico de modo permanente; esto se logra por medio de unos dispositivos que reciben el nombre de generadores. Algunos de los más comunes tienen nombres específicos como pilas, baterías, alternadores, paneles solares, etc. 3.4) RESISTENCIA ELÉCTRICA El movimiento real de los electrones libres en un conductor es muy complicado ya que se mueven en direcciones aleatorias debido a la energía térmica, por lo que la velocidad media del conjunto de electrones es nula. Si al conductor le aplicamos un campo eléctrico, aparece una fuerza sobre ellos que los acelera, ganando velocidad y por lo tanto energía cinética. Esta energía cinética pronto se disipa en forma de calor por choques con otros electrones, con iones positivos de la red y con defectos del material; este proceso se repite sucesivamente y el efecto neto es una pequeña velocidad de desplazamiento (responsable de la corriente eléctrica en el conductor) en la dirección del campo eléctrico pero de sentido contrario. Esta oposición del medio al movimiento ordenado de los electrones debido al campo eléctrico (que se traduce en una disipación de energía que se hace tangible porque el conductor se calienta) se mide a través de una resistencia (resistencia eléctrica) que representa la oposición del medio al paso de la corriente. Si sobre una porción de material aplicamos una diferencia de potencial ϕ y se establece una corriente eléctrica I entonces el cociente entre ellas nos da la resistencia R ofrecida por el conductor al paso de la corriente. Experimentalmente Jorge Simón Ohm estableció dicha relación que recibe el nombre de ley de Ohm y que se escribe ϕ ϕ[ Voltios] ϕ[ V ] R = R[ ohmios ] = R[ Ω ] = [C4]. I I Amperios I A [ ] La unidad de resistencia en el S.I. es el Ohmio que se representa con la letra Ω. 3.5) CONDENSADORES Son estructuras formadas por dos conductores aislados (llamados placas o armaduras) y sometidos a influencia total (es decir todas las líneas de campo eléctrico que nacen en uno de los conductores mueren en el otro), es decir si están cargados las cargas en ellos son iguales y opuestas. Dependiendo de la forma de los conductores tendremos distintos tipos de condensadores. * Se caracterizan por una magnitud que depende de la geometría de las placas llamada CAPACIDAD del condensador y se representa por la letra C. * Sirven para almacenar CARGA y energía (ENERGÍA ELÉCTRICA). Para nuestros propósitos el más útil es el condensador de placas plano paralelas, que se muestra en la figura siguiente. [ ] 5

6 Las magnitudes más relevantes y sus relaciones son: A C = ε = C ; { + Q, Q} { + σ = + Q / S, σ = Q / S} ; Q = C ( ϕ1 ϕ 2 ) = C Δϕ d La unidad de capacidad, en el S.I., es el Faradio que se expresa con la letra F y que de acuerdo con las unidades de magnitudes conocidas se expresa como: [ Culombios] [ Voltios] [ ] [ V ] Q Q Q C C = C[ Faradios ] = C[ F] = Δϕ Δϕ Δϕ [C5] El Faradio es una unidad muy grande y se suelen utilizar submúltiplos como son: 6 El microfaradio (μf) : 1μF = 1 F. 9 El nanofaradio (nf) : 1nF = 1 F. 12 El picofaradio (pf) : 1pF = 1 F. σ ϕ1 ϕ2 El campo eléctrico E = = ε d es UNIFORME y a las PLACAS = Δϕ d [C6] Q 1 U el = Q Δϕ = = C Δϕ [C7] 2 2 C 2 La energía eléctrica almacenada es ( ) 2 6