¿Cómo pueden tener los átomos neutrales un campo eléctrico exactamente cero cuando existe una diferencia en las posiciones de las cargas?

Question

Se dice que los átomos con el mismo número de electrones que protones son eléctricamente neutros, por lo que no tienen carga neta ni campo eléctrico neto.

Una partícula con carga no puede existir en la misma posición y tiempo que otra; un electrón no puede estar posicionado en el lugar de un protón, en ningún momento específico, sin desplazar al protón.

Si asumimos lo anterior como correcto, ¿cómo puede un solo electrón anular todo el campo eléctrico de un protón? No creo que haya una posición que un solo electrón pueda tomar, que resultaría en la anulación completa del campo eléctrico del protón - parece que siempre estará solo parcialmente anulado.

Para simplificar, veamos un solo átomo de hidrógeno que consideramos eléctricamente neutro. Tiene un protón y un electrón, por lo que en cualquier momento específico, habrá un campo eléctrico neto parcial (porque el electrón nunca estará en una posición donde su campo pueda cancelar completamente el campo del protón), y el campo eléctrico del electrón solo cancelará parte del campo del protón. Por lo tanto, en este momento específico, habrá un campo eléctrico neto del protón. Entonces, ¿cómo se puede considerar que este átomo es eléctricamente neutro, sin carga o campo neto?

Aquí hay una representación gráfica de dos fuentes de campos eléctricos interactuando:

Como se puede ver en la imagen, solo parte de los campos eléctricos (iguales pero opuestos) producidos por ambas fuentes se ven afectados mutuamente. Para que el campo de una fuente anule completamente al otro, necesitaríamos posicionar las fuentes en el mismo lugar, al mismo tiempo, lo cual no es posible.

Sé que estoy equivocado, así que por favor corríjame.

Answer 1

Si algo es 'Eléctricamente neutral', esto significa que la suma algebraica de sus cargas eléctricas, sin importar cómo estén distribuidas, es cero.

Esto no implica que no haya campo eléctrico en sus cercanías. Muchos cuerpos neutrales - incluso, se cree, el neutrón - tienen campos eléctricos, por la razón que has señalado.

Answer 2

Se dice que los átomos con el mismo número de electrones que protones son eléctricamente neutros, por lo tanto, no tienen carga neta ni campo eléctrico neto.

Esta es una gran simplificación, que estoy seguro de que ya has determinado (basándote en por qué haces esta pregunta). Puedes tener objetos que están polarizados, donde, en general, no tienen una "carga neta", sin embargo, la distribución de carga es muy importante. El ejemplo que das es excelente de un dipolo, donde la carga neta es $0$, sin embargo, $\mathbf E\neq 0$ a distancias lejos del dipolo.

Realmente, la idea de ser eléctricamente neutral es una descripción macroscópica que significa que si miramos en esta área general veremos que el número de cargas positivas equilibra exactamente el número de cargas negativas. Sin embargo, al "acercarnos" encontraremos que esto no es el caso para un cuerpo "eléctricamente neutral", ya que (descartando la mecánica cuántica) tendremos cargas puntuales en ubicaciones específicas, y la mayor parte de la "densidad de carga" será $0$ debido a que no hay cargas presentes en absoluto, y luego "infinita" (o al menos realmente grande) en las ubicaciones de las cargas.

Answer 3

Basándonos en otras respuestas, primero debemos diferenciar entre carga neta y campo eléctrico: un átomo con un número igual de partículas cargadas positiva y negativamente tendrá carga neta nula, pero aún puede tener un campo eléctrico, dependiendo de la disposición de la carga, como en un dipolo.

Ahora, tu intuición es correcta, no parece válido que un átomo de hidrógeno sea un dipolo simplemente por la distribución espacial de las partículas subatómicas. Basado en la respuesta a esta pregunta:

¿Hay un campo eléctrico alrededor de los átomos neutros?

Los electrones no están realmente "orbitando" el núcleo, y de hecho no están localizados espacialmente, sus distribuciones de probabilidad se extienden sobre el núcleo, lo que lleva a una distribución simétrica y neutralización de la carga eléctrica global en el espacio.

Answer 4

Como se ha señalado en la respuesta de Wood, la neutralidad eléctrica simplemente significa que la suma algebraica de las cargas eléctricas es cero. No implica nada sobre la presencia de campos. Nótese que la misma situación también se cumple para las soluciones electrolíticas, por lo que no se juega un papel especial por la naturaleza cuántica de las cargas.

Sobre los campos, me gustaría agregar que es cierto que no hay nada que impida tener campos no nulos en un sistema globalmente neutral. Sin embargo, también debemos tener en cuenta el tiempo de observación. Las mediciones de los campos eléctricos corresponden al promedio temporal de los campos. Por lo tanto, si una medición a corto plazo a escala microscópica pudiera medir un campo no nulo, un promedio temporal en escalas macroscópicas podría dar campos macroscópicos promedio cercanos a cero.

Answer 5

Se dice que los átomos con el mismo número de electrones que protones son eléctricamente neutros, por lo que no tienen carga neta ni campo eléctrico neto.

Ciertamente no tienen carga neta, pero no es cierto que no tengan campo eléctrico neto. Sin embargo, es posible que hayas escuchado esto porque a una distancia suficientemente larga, el campo eléctrico de objetos sin carga neta puede ser insignificante en comparación con el campo eléctrico de un objeto cargado.

A distancias mucho más grandes que la separación entre los electrones y el núcleo, la magnitud del campo eléctrico de un objeto neto neutral decae más rápidamente que la de un objeto cargado. Normalmente, a tales distancias, el campo eléctrico está dominado por un término de dipolo eléctrico. Mientras que el campo eléctrico de un objeto con carga neta escala como $1/r^2$, donde $r$ es la distancia desde el objeto cargado, el campo eléctrico de un dipolo escala como $1/r^3$. Por lo tanto, si duplicas la distancia, el campo eléctrico de un objeto cargado es un cuarto de lo que era, mientras que el campo eléctrico de un dipolo es un octavo de lo que era. Por lo tanto, a grandes distancias, a veces se puede considerar que el campo eléctrico de objetos netos neutros es insignificante en comparación con el campo eléctrico de objetos cargados.