02-Conductores y aisladores

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1. Modelo microscópico

Todos los átomos contienen protones (positivos) en el núcleo y electrones (negativos) orbitando. La clasificación de los materiales depende de qué tan aferrados estén esos electrones exteriores:

• Conductores (Ej. cobre, plata, aluminio): Los átomos de los metales liberan fácilmente uno o más de sus electrones exteriores. El núcleo positivo y el resto de los electrones quedan en posiciones fijas, pero estos electrones libres pueden moverse por todo el volumen del material sin restricciones.

• Aisladores o dieléctricos (Ej. vidrio, goma, seda): En estas sustancias casi no existen electrones libres. Las cargas están rígidamente ligadas a sus moléculas y no pueden desplazarse indefinidamente a través del material.

2. Compartimiento frente a un campo eléctrico exterior

¿Qué pasa si metemos estos materiales dentro de un campo eléctrico exterior?

En un aislador (polarización)
Como no hay cargas libres, los electrones y los núcleos solo se "desplazan" microscópicamente de sus posiciones de equilibrio, sin llegar a soltarse. Las moléculas se estiran u orientan en la dirección del campo, formando dipolos inducidos. A este fenómeno se lo llama polarización.

En un conductor (equilibrio electrostático)
Los electrones libres sienten la fuerza del campo y comienzan a moverse (formando una corriente transitorio). Este movimiento continúa hasta que las cargas se reacomodan de tal forma que anulan por completo el campo eléctrico exterior en el interior del conductor. Cuando las cargas dejan de moverse, se dice que el conductor está en equilibrio electrostático.

3. Propiedades de los conductores en equilibrio electrostático

Si las cargas en un conductor están en reposo, se cumplen cuatro condiciones estrictas y demostrables:

1. El campo eléctrico en el interior del conductor es NULO ($E=0$)
¿Por qué? Porque si $E\ne 0$, las cargas libres sentirían una fuerza ($F=q\cdot E$) y se moverían. Si se mueven, no están en reposo, lo cual contradice la premisa de equilibrio. El volumen interior del conductor es un volumen equipotencial (el potencial es constante en todos sus puntos).

2. Todo exceso de carga reside exclusivamente en su superficie exterior
Imaginemos una superficie cerrada justo por debajo de la superficie real del conductor. Según el Teorema de Gauss:

Como sabemos por el punto 1 que $E=0$ en el interior, la integral da cero, y por ende $q_{encerrada}=0$. La repulsión mutua entre cargas del mismo signo hace que se alejen lo máximo posible, terminando en la frontera (superficie) del material.

3. El campo eléctrico justo fuera de la superficie es perpendicular a la misma
¿Por qué? Si el vector campo $E$ tuviera un ángulo distinto de $90°$, tendría una componente tangencial ($E_t$) y una componente normal ($E_n$). La componente $E_t$ empujaría a los electrones a lo largo de la superficie del conductor. Como estamos en equilibrio y las cargas no se mueven, forzosamente $E_t=0$, dejando solo la componente perpendicular.

4. Efecto Jaula de Faraday (Apantallamiento)
Como el campo dentro de un conductor cerrado o hueco es nulo, cualquier dispositivo colocado en su interior queda totalmente aislado de las influencias eléctricas externas.