Conductores y aislantes

es útil pretender que todos los materiales en el universo pueden clasificarse como aislantes o conductores aislantes eléctricos o conductores eléctricos aunque esto no es cierto existen también los semiconductores y los superconductores así como otros materiales eléctricos exóticos pero para la mayoría de los problemas y exámenes de los cursos de introducción a la física normalmente se supone que todos los materiales son o aislantes o conductores material aislante eléctrico o material conductor eléctrico y antes de hablar de las diferencias de estos materiales que aquí tenemos dos un cilindro aislante y un cilindro conductor antes de hablar de las diferencias vamos a mencionar una cosa que tienen en común tanto el material aislante como el material conductor tienen una cantidad enorme de átomos y moléculas y estos átomos no importa si son del material aislante o del conductor van a tener en el centro carga positiva aquí en el núcleo y una carga negativa que va a estar generada por varios electrones que se encuentran alrededor del núcleo y otra cosa en común que tienen los conductores y los aislantes es que el núcleo que tiene carga positiva no se puede mover puede vibrar quizás un poquito pero no va a moverse del lugar estas mini vibraciones podrían darse por cuestiones térmicas pero no pueden moverse libremente a través del material esto aplica tanto para el aislante como para el conductor siempre y cuando sean sólidos lo que no aplica si es que estos son fluidos en el caso de que sean fluidos se van a poder mover libremente pero en el caso de materiales sólidos la carga positiva del núcleo de cada átomo se encuentra fija lo único que podría moverse son los electrones con carga negativa y aquí hay una diferencia los electrones que se encuentran en los átomos del conductor en moverse más o menos libremente puede moverse sin casi resistencia en cambio los electrones en el aislante no se pueden casi mover esto no tiene los niveles de energía ni las bandas que hagan posible que estos electrones se muevan libremente así que para el material aislante también se encuentran más o menos fijos básicamente en los aislantes todo se encuentra fijo estos electrones podrían moverse y saltar dentro de su propio átomo o quizás entre átomos vecinos pero no pueden estar saltando y moviéndose libremente por todo el material y en los conductores los electrones si pueden estar moviéndose libremente por todo el material esta es la diferencia principal ahora los electrones no van a estar moviéndose así por si solos necesitan algo que los invite a moverse en el material si conectaremos esto a una batería o lo pasaremos cerca de algún campo eléctrico o tuviera cerca alguna fuerza eléctrica en este caso los electrones en el conductor van a comenzar a migrar por todo el material pero en un aislante los electrones están fijos y esto nos hace pensar que a lo mejor para las interacciones eléctricas solo nos interesan los conductores y los aislantes nos van a interesar justamente para evitar estas interacciones eléctricas pero esto no es del todo cierto si yo pongo un aislante en una batería o lo acercó algún campo o fuerza eléctrica si bien los electrones no van a estar saltando o van a estar moviéndose en el material si puedo tener que el núcleo y sus electrones se desplacen un poquito por ejemplo aquí el núcleo positivo puede desplazarse un poquito así y la carga negativa de desplazarse de este otro lado de manera que me queda un átomo que digamos tiene un lado un poco más negativo y este lado del átomo estaría más positivo y aunque los electrones no se mueven ahora como tengo esta configuración en donde la parte positiva está desplazada a un lado y la negativa está un poquito del otro lado este material si yo logro que todos los átomos tengan esta configuración podemos crear un efecto eléctrico general y podrá interactuar con otras cargas cercanas y ejercer fuerzas sobre ellas así que aún cuando las cargas no pueden flotar en el aislante pueden interactuar eléctricamente ahora veamos qué sucede si le agrego cargas extra al aislante y al conductor aquí comenzamos con la misma cantidad de partículas positivas que de partículas negativas y eso se cumple tanto para el aislante como para el conductor pero qué sucede si agrego cargas extras si agregamos cargas negativas extras por aquí que va a suceder si tratamos de dibujarlas con todo y los átomos va a verse un poco saturada a la pantalla y ya que éstas se cancelan mutuamente tienen una carga promedio así que vamos a suponer que estos se encuentran aquí pero se cancelan mutuamente y ahora voy a dibujar solo y las cargas extra si yo agrego cargas negativas extra a este aislante que voy a tener pongo cargas negativas por aquí por acá por allá que va a pasar bueno nosotros sabemos que estas cargas negativas no se pueden estar moviendo libremente aquí así que puedo llenar este aislante con las cargas negativas extra si es que así lo quiero o puedo hacer que se acumulen en un solo lado y allí se mantendrían el punto es que donde yo ponga las cargas extra ahí se van a quedar pero qué va a suceder en un conductor si yo trato de poner una carga negativa aquí y otra carga negativa por acá estas no tienen por qué quedarse en donde las puse cuando están en un conductor y si ponemos cargas negativas cercanas no van a querer quedarse ahí ya que las cargas iguales se repelen así que qué va a suceder pues esta carga negativa va a querer alejarse todo lo que pueda y esa otra carga también querrá alejarse lo más que se pueda aunque claro la carga negativa no puede saltar fuera del conductor para hacer esto necesitaría de más energía pero si puede llegar al límite al borde y esto es lo que hacen las cargas y esto es lo que sucede en los conductores si agregamos cargas extras éstas se van a acumular en el exterior ya sea que agreguemos cargas negativas o cargas positivas siempre se van a distribuir en la parte exterior siempre se van a mover hacia el borde por lo que solo podremos agregar cargas extra en la parte exterior del material ya que si las pusiéramos adentro las cargas solitas se van a mover hacia afuera y les comenté que esto se cumple tanto para cargas positivas como negativas y ustedes se pueden preguntar bueno cómo es que agrego cargas positivas bueno esto se logra quitando cargas negativas si comenzamos con un material que tiene la misma cantidad de cargas negativas y positivas y quitamos una carga negativa esencialmente es como agregar una carga positiva pero de igual manera la carga neta ya sea positiva o negativa va a recibir en la parte exterior del conductor ya que las cargas tratan de alejarse mutuamente entre sí lo más lejos posible y cuáles materiales físicos se comportan así qué materiales son aislantes pues los materiales como el vidrio la madera estos son aislantes igual la mayor parte de los plásticos también son aislantes todos estos materiales muestran este comportamiento en donde podemos agregar cargas y éstas se van a quedar fijas en donde las coloquemos las cargas no se pueden mover libremente en este material podemos poner incluso cargas en el exterior del material y se van a quedar ahí y ahora los materiales conductores son metales como el oro o el cobre que se usa bastante ya que es más barato que el oro la plata también funciona bastante bien estos son materiales cuyas cargas flotan o se mueven libremente en ellos y ahora que sabemos cómo funcionan los aislantes y los conductores veamos un ejemplo digamos que tenemos dos cilindros conductores están hechos de metal y uno de ellos tiene una carga neta negativa que se encuentra en la parte exterior de este cilindro ya que esto es lo que hace una carga neta en un conductor pero este otro cilindro conductor no tiene una carga neta en él que es lo que sucede si yo tomo este conductor lo acercó y hago que toque al otro conductor yo creo que ustedes se imaginan qué va a pasar las cargas van a querer alejarse mutuamente lo más lejos posible por lo que al estar en contacto con este otro conductor algunas de las cargas de aquí se van a alejar todavía más y van a pasar al otro conductor otras se van a quedar en donde estaban eso es lo que sucedería si ambos conductores tienen la misma cantidad de material tendríamos la misma cantidad en ambos si éste otro conductor fuera un poco más grande una mayor cantidad de carga del primer conductor pasaría a este otro más grande ya que de esta manera se pueden alejar aún más aunque algunas cargas se quedarían en este y esta es una forma de cargar algo con sólo tocarlo pero hay otra forma de cargar los materiales y esto es más inteligente podemos hacer algo llamado carga por inducción y esto qué significa bueno imaginen que tomamos esto lo acercamos aquí pero no tocamos al otro cilindro si solo lo acercó pero no hago que se toquen qué va a pasar bueno aquí de por sí tengo negativos también tengo positivos pero los negativos se pueden mover libremente si quieren querrán moverse pues sí ya que estos negativos se están acercando y los que están aquí no quieren estar cerca de ellos se quieren alejar lo más que se pueda así que una cantidad neta de cargas negativas se van a ir hacia este lado se van a ir todas de este lado ya que no quieren estar cerca de las cargas negativas que se encuentran aquí cerca lo que nos deja una carga neta positiva de este lado o lo que es lo mismo un déficit de electrones en este lado por lo que este lado termina cargado positivamente y ustedes pueden pensar bueno ok esto es extraño se han separado las cargas va a pasar algo más pues sí ya que ahora estas cargas positivas se encuentran más cercanas a las que están aquí las cargas negativas que están en este otro cilindro las cargas opuestas se van a atraer así que estas cargas negativas de aquí van a atraer a las cargas positivas de este otro cilindro ya que las cargas diferentes se atraen y las iguales se repelen y estas cargas negativas van a estar repeliendo a estas otras cargas negativas de aquí estas fuerzas se cancelan no de hecho no ya que mientras más cercanas se encuentren las cargas más fuerte será esta fuerza y esto ocasionará que este cilindro sea atraído por este otro y esto es genial ya que si tomamos un cilindro que esté cargado y lo acercamos no sé a una lata de refresco si esta lata se encuentra acostada en una mesa de manera que pueda rodar si acercamos el cilindro cargado la lata comenzará a rodar hacia este cilindro lo cual es bastante genial y deberían intentarlo si pueden pero esto no es la carga por inducción la carga por inducción es algo más imaginen que conectamos este cilindro qué es tierra bueno puede ser la tierra lo que está en el suelo si tenemos una tubería metálica y la enterramos en el suelo nos puede servir o cualquier material que nos permita tomar una cantidad infinita de electrones o que también podamos depositar una cantidad infinita de electrones aquí ya este material no le importe podría ser el chasis de un auto que es de metal es una buena tierra ya que puede proporcionar una gran cantidad de electrones o recibirlos o como ya habíamos mencionado una tubería de metal enterrada en el suelo un material al que no le importe recibir o dar muchos electrones ahora qué sucede si yo acerco ese cilindro cargado a este otro conductor que originalmente no tiene una carga neta ahora sus electrones en lugar de quedarse en un solo lado pueden decir bueno pues yo me puedo ir de aquí ahora sus electrones en lugar de quedarse de este lado pueden decir saben que yo me voy de aquí por lo que muchas de estas cargas negativas se van a ir de aquí pasa cuando esto sucede pues ahora nuestro segundo cilindro ya no estará sin carga ahora va a estar cargado va a tener una carga neta y tampoco es que se vayan todos los electrones alguno que otros se quedara por ahí pero este cilindro que originalmente no tenía carga ahora va a estar cargado tendrá una carga positiva por lo que cargue este cilindro sin siquiera tocarlo ya que deje que estos electrones negativos se fueran y si soy lista puedo cortar este cable de acá antes de quitar el objeto que me indujo la carga ahora quito esto de acá lo pongo lejos y que hubieran hecho estos electrones bueno hubieran dicho vaya qué bueno que es ella se fue ahora puedo regresar a donde estaba se van a sentir atraídos a estas cargas positivas y van a regresar dejando esto nuevamente sin carga pero como corte el cable antes pues ellos ya no pueden regresar estos se quedan atorados aquí ya que no hay forma de que puedan regresar porque cortamos la línea y cuando cargamos algo por completo sin tocarlo entonces decimos que tuvimos una carga por inducción qué es un método muy sencillo de cargar algo permítanme mostrarles otro ejemplo que yo creo que todos hemos hecho alguna vez tenemos aquí un globo y como lo cargamos pues lo frotamos contra nuestro cabello el globo va a robar electrones de nuestro cabello y ahora el globo va a estar negativamente cargado que hacemos con esto ustedes ya saben qué hacemos con esto lo tomamos y lo ponemos cerca de alguna pared o algún techo y si tenemos suerte se va a quedar pegado ahí lo que es genial cómo funciona esto bueno recuerden que este es un material aislante es plástico el techo también es un material aislante aquí los electrones no se van a transferir pero aún en un material aislante el átomo puede reorientarse o polarizarse al cambiar la carga negativa de este átomo de un lado y la carga positiva del mismo átomo del otro lado por lo que un lado se vuelve un poquito más positivo y esto ocasiona una fuerza neta entre el techo y el globo que estos positivos se encuentran un poquito más cercanos así que los positivos van a estar atrayendo a los negativos con un poquito más de fuerza de lo que estos negativos están repeliendo a los negativos del techo y debido a que el techo atrae al globo y el globo está atrayendo al techo con una fuerza mayor de lo que las cargas negativas están repeliendo a las cargas negativas del techo el globo se va a pegar y esto es debido a la propiedad de los aislantes de polarizarse y ocasionar una atracción eléctrica y es lo que mencioné en un principio aún cuando sea un aislante puede a veces interactuar con algo eléctrico debido a que el átomo puede moverse y polarizarse