Electrostática en presencia de materiales (GIOI)

De Laplace

Al considerar la electrostática en el vacío, se analizan los campos, fuerzas y potenciales debidos a una distribución conocida de cargas flotando en el vacío. El modelo de cargas es adecuado incluso en presencia de materiales, ya que a nivel microscópico la materia es un 99.9% vacío y los protones y electrones se comportan como cargas puntuales separadas.

Sin embargo, cuando se considera la presencia de medios materiales, aparece un factor que complica sustancialmente la determinación de los campos, y es que las cargas pueden moverse por el interior de los materiales. Si tenemos una disolución en la que nadan iones con cargas positivas y negativas y aplicamos un campo eléctrico, las cargas positivas se moverán en un sentido y las negativas en el opuesto. Por ello, la densidad de carga, que habíamos supuesto que era un dato, en realidad es una incógnita más del problema.

A la hora de estudiar la electrostática en presencia de medios materiales, la primera clasificación que se hace es considerar si estos permiten el movimiento de cargas o no. La propiedad física que mide la facilidad con la que se mueven las cargas por el interior de un material es la conductividad σ. Atendiendo a su conductividad los materiales se clasifican en

Conductores

Permiten el movimiento de cargas por su interior. En el límite se encuentra el modelo de conductor perfecto, que es aquel que no opone ninguna oposición al movimiento de cargas por su interior. El cobre y la plata son buenas aproximaciones al modelo del conductor perfecto.

        

Dieléctricos o aislantes

En el otro extremo de la escala se encuentran aquellos materiales que no permiten el movimiento de cargas por su interior. En ellos todas las cargas están ligadas en sus respectivos átomos y no pueden desplazarse. Suelen ser materiales plásticos o cristalinos con fuertes enlaces covalentes. Incluso en materiales dieléctricos el campo no es el mismo que en el vacío, por la presencia de dipolos inducidos por el campo eléctrico. El límite es el modelo de dieléctrico ideal o aislante perfecto, que no permite en absoluto el movimiento de cargas por su interior.

En un sistema real hay presentes materiales de los dos tipos. Por ejemplo, un cable coaxial de los que se usan en la transmisión de señales, tiene un núcleo metálico conductor, rodeado de una capa de dieléctrico, cubierta a su vez de una malla conductora, rodeada por otra capa de aislante protector.

Todos los materiales poseen una cierta conductividad y se encuentran en algún punto intermedio de la gama que va del conductor perfecto al dieléctrico ideal, por lo que la consideración del material como conductor o dieléctrico es relativa al resto de materiales presentes y al tiempo de estudio. Si al material le da tiempo de sobra a alcanzar el equilibrio electrostático, lo consideramos como conductor. Si no lo alcanza, se comporta como un dieléctrico.

Dado el diferente comportamiento de unos y otros materiales, conviene estudiarlos separadamente. Primero se consideran materiales conductores flotando en el vacío y a continuación se incluye el efecto de que entre ellos haya dieléctricos ideales.