Conductores en equilibrio electrostático

Un material conductor es aquel que permite el transporte de carga eléctrica. En general, los sólidos metálicos son buenos conductores, ya que sus electrones de valencia están poco ligados a los núcleos atómicos, lo que permite que se muevan con facilidad a través del sólido. Este tipo de electrones poco ligados se denominan electrones libres.

Cuando a un sólido conductor cargado con una cierta carga q, se le deja evolucionar la suficiente cantidad de tiempo, alcanza una situación de equilibrio electrostático en la que ya no hay movimiento de cargas. En estas condiciones, el campo en el interior del conductor es nulo (si no, habría movimiento de cargas y no estaría en equilibro).

Si situamos una placa conductora (figura de la izquierda) en una región del espacio en que existe un campo eléctrico, los electrones de la placa se verán sometidos a una fuerza opuesta al campo externo y se acumularán en el lado derecho de la placa, dejando el lado izquierdo con un exceso de carga positiva.

Esta distribución de carga dentro del conductor genera un campo eléctrico interno de sentido opuesto al externo y de igual módulo, de modo que en el interior del conductor el campo eléctrico total es nulo. Este hecho constituye en principio de funcionamiento de una jaula de Faraday. En la sección "Sabías que..." encontrarás una explicación de cómo funciona.

Si el campo en el interior de un material conductor en equilibrio electrostático es nulo, no puede haber carga eléctrica en el interior del mismo. Por tanto, la carga de un conductor se acumula en su superficie.

El campo eléctrico externo al conductor no puede tener componente tangencial, ya que las cargas de la superficie se moverían sobre ella y ya no sería un conductor en equilibrio; es decir, el campo externo es normal a la superficie del conductor. Este hecho implica que la superficie del conductor es equipotencial puesto que la fuerza (paralela al campo) no realiza trabajo.

El campo en el exterior de un conductor se calcula empleando la ley de Gauss.

La densidad superficial de carga no es la misma toda la superficie del conductor (depende de la curvatura local de la superficie), por lo que el módulo del campo eléctrico que crea tampoco será el mismo en todos los puntos. Si se considera un pequeño elemento de superficie, éste es aproximadamente plano, como se muestra en la figura de la derecha. El campo creado por este pequeño elemento de superficie se calcula determinando el flujo a través de la superficie cerrada representada en rojo en la figura.

El cálculo es análogo al realizado para determinar el campo creado por un plano infinito. La única diferencia es que ahora el flujo a través de la base del cilindro que se encuentra en el interior del sólido es nulo (puesto que no hay líneas de campo en el interior). Por tanto,

Cuanto mayor sea σ en una zona de la superficie del conductor, mayor será el módulo del campo eléctrico que crea. El campo eléctrico es por tanto mayor en un conductor en punta (donde se acumulan las cargas) que en uno plano.

Propiedades de los conductores en equilibrio electrostático

Las propiedades de los conductores en equilibrio electrostático se pueden resumir en:

• El campo eléctrico en el interior es nulo.
• La carga eléctrica se distribuye sobre la superficie, concentrándose en las zonas de menor radio de curvatura (es decir, más puntiagudas).
• La superficie del conductor es una superficie equipotencial.
• El campo eléctrico en la superficie está dirigido hacia afuera y es perpendicular a la superficie.