Carga por inducción: ¿Cómo explicarlo?

Question

Estoy enseñando física en la escuela secundaria y nuestro libro de texto dice que "Si se acerca una varilla cargada al electroscopio y se conecta a tierra la tapa momentáneamente, el electroscopio queda con lo opuesto a la varilla".

Y las explicaciones habituales para ello son las siguientes: Si se acerca una varilla cargada negativamente a la tapa del electroscopio, los electrones son repelidos hacia las hojas, dejando la tapa positiva. Si la tapa se conecta a tierra, por ejemplo con un dedo, los electrones huyen a tierra. Si se retira primero el dedo y luego la varilla, el electroscopio queda cargado positivamente.

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La pregunta que se hace es: ¿Cómo superan los electrones la repulsión de la barra negativa para correr hacia la tierra?

Answer 1

Las cargas negativas querrán alejarse lo más posible unas de otras. Dado que nuestros cuerpos son bastante buenos conductores, es bastante fácil que las cargas negativas se muevan hacia tierra para conseguirlo. La repulsión de las cargas negativas en la varilla no es suficiente para contener completamente toda la carga negativa en el electroscopio. Las cargas negativas en la punta están mucho más cerca unas de otras que de la varilla, por lo que esta repulsión ganará inicialmente para crear una carga positiva neta general en el electroscopio.

Si esto no le convence, puede optar por esta vía. Para obtener una carga positiva neta en el electroscopio no necesitamos eliminar mucha carga negativa del mismo. Aunque el diagrama muestra carga positiva en la punta antes de que la toquemos, esto no significa que esté desprovista de carga negativa. Sólo significa que allí hay una carga positiva neta. Así que cuando toquemos la punta habrá algunas cargas negativas donde la varilla negativa ayudará a empujar estas cargas a tierra a través del dedo. Esto es suficiente para que el electroscopio tenga una carga positiva neta, ya que una parte de la carga negativa ha salido de él.

Answer 2

Hay tres áreas cargadas que hay que considerar aquí. La varilla cargada negativamente, la tapa cargada positivamente en la parte superior del electroscopio y las hojas cargadas negativamente. ¿Qué ocurre cuando utilizas el principio de superposición y determinas el campo eléctrico combinado? Deberías encontrar que el campo entre la tapa y las hojas apunta hacia las hojas y, por lo tanto, permite que los electrones se muevan hacia arriba.

Answer 3

La distribución de los electrones en el electroscopio antes de que la tapa se conecte a tierra no tiene ninguna relación con el comportamiento de los electrones cuando la tapa está conectada a tierra, así que podríamos considerar simplemente lo que harían los electrones si la tapa estuviera conectada a tierra antes de introducir la varilla cargada negativamente.

En este escenario, los electrones de la caperuza, repelidos por la varilla, tienen dos vías de escape: unas hojas diminutas con una capacitancia minúscula y la tierra con una capacitancia prácticamente infinita. Obviamente, los electrones fluirán hacia la tierra hasta que el potencial en la tapa sea cero.

Si lo consideráramos como un proceso de dos pasos, podríamos observar que el potencial de las hojas (y de la tapa) después de la entrada de la varilla sería negativo. En cuanto la tapa se conecta a tierra, su potencial se vuelve cero, superando la influencia de la varilla y atrayendo un exceso de electrones en las hojas.