Espera... ¿por qué exactamente el experimento del cubo de hielo de Farady prueba la ley de Gauss?

Question

Verás que no hay ecuaciones: es porque se trata de una cuestión de moral, no de matemáticas. Pero humilde. Vengo a aprender, no a exponer. Pero no dejes que eso limite la forma de tu respuesta. Gracias de antemano...

Así pues, hay dos aspectos de la física de la electrostática que, por cierto, sé que me confunden ahora mismo. En primer lugar, son las implicaciones de estos principios:

Si hubiera una carga eléctrica dentro de un conductor, induciría movimiento en las cargas. Por lo tanto, concluimos que en situaciones electrostáticas, no hay carga neta dentro del conductor.

Me parece justo. Los electrones se mueven muy fácilmente en los conductores. Así que supongo que tiene sentido. Pero, eso no muy me da suficiente información para predecir la carga eléctrica dentro de un conductor puede ser electrostático. Así es como lo veo:

Si la carga está repartida uniformemente por todo un conductor, y desequilibrada, entonces el exceso de carga neta (campo neto) en el interior de ese conductor va a ser más "intenso" (es decir, ¿campo eléctrico neto efímero?) para las cargas en el interior que para las cargas en la superficie - están "más cerca" y, por lo tanto, el exterior exacto del conductor es donde estarán. rápidamente terminar. (Si no hay campo fuera del conductor, hay menos "presión" sobre los electrones desde el exterior.

Sin embargo, ahora está bien: en un conductor hueco suficientemente grande, ¿por qué no acaban en el interior?

¡Eso funciona muy bien para los electrones! (O eso creía yo.) Sin embargo, mi línea de pensamiento empieza a fallar con las cargas positivas y, siendo realistas, con los grandes conductores huecos. Si hay cualquier carga dispersa fuera de un conductor determinado, ¿no podría haber alguna en una superficie interna de un conductor enorme y hueco? Tenderían a anularse mutuamente, pero en esa situación no ideal....

En el experimento del cubo de hielo de Faraday que se muestra en mi libro de física, es un positivo carga que se baja a los cubos.. es decir, falta de electrones. Sin embargo, la positivo La carga permanece en la superficie también... lo que significa que hay una "falta" de electrones en el exterior del cubo. De repente es mucho más difícil visualizar mi propia "teoría" burda.

¿Sería alguien tan amable de decirme qué mecanismo exactamente, los electrones son propulsados a lugares tales que se encuentran en esta situación?

Supongo parece ¿es coherente con la conservación de la energía (es decir, los electrones en movimiento realizan trabajo, mientras que las cargas estáticas no? Por lo tanto, tampoco podemos tener cargas en movimiento sostenidas en el conductor sin una fuente de energía).

Answer 1

Como tú dices: "Si hay alguna carga perdida fuera de un conductor determinado, ¿no podría haber alguna en una superficie interna de un enorme conductor hueco?".

¡Claro que sí! Creo que su confusión se debe a un malentendido de lo que significa "exterior" en este contexto. Exterior no significa "la superficie más alejada del centro de masa de un objeto". Significa "la superficie de un objeto". Del mismo modo, el "interior" de un conductor se refiere a la propia materia del conductor (es decir, los átomos que componen el metal), no a ninguna cavidad hueca en medio de un conductor más grande.

Supongamos que tenemos una cáscara esférica de cobre, es decir, una esfera de cobre con una cavidad en el centro. Si ponemos una carga positiva en el centro de esta cavidad hueca, entonces la superficie interior de la cáscara tenderá a cargarse negativamente (ya que la carga positiva en el centro atraerá electrones hacia la superficie interior) y la superficie exterior se cargará positivamente (en ausencia de electrones). Esta es esencialmente la situación que has descrito, y es completamente exacta.

Tu instinto de conservación de la energía también es correcto. La razón por la que las cargas en movimiento no pueden mantenerse en un conductor es porque ninguna corriente en un conductor es indefinidamente sostenible sin alguna adición de energía. Así que eventualmente las cargas en un conductor deben moverse a alguna posición electrostática.

No estoy seguro de que esto responda completamente a tu pregunta, porque no sé muy bien cómo encajan los dos aspectos de tu pregunta ("cuál es el mecanismo por el que se propulsan los electrones" y "por qué las cargas acaban en el exterior"), así que avísame si necesitas alguna aclaración.

Answer 2

Faraday nos mostró un objeto cargado dentro de un cilindro de acero al tocarlo Si, por ejemplo, se toca un 5, se recarga y se repite 5 veces, habrá 25 en el exterior y, cuando se cargue de nuevo, el 5 creará su propio opuesto de 5 con 30 en el exterior. En otras palabras, cada vez que se toca, la carga se acumula en el exterior del contenedor.