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CAPÍTULO XIX

EL CAMPO ELÉCTRICO EN LA MATERIA

A) CONDUCTORES CARGADOS EN EQUILIBRIO. CAPACIDAD

XIX – 1. Sustancias conductoras y dieléctricas
Desde un punto de vista electrostático las sustancias pueden clasificarse en dos clases: CONDUC-
TORES, en los cuales las cargas eléctricas pueden moverse fácilmente de un lugar a otro y AISLADO-
RES o DIELÉCTRICOS, en los cuales las cargas se mueven con tal dificultad que podemos considerar-
las fijas, a lo sumo sus posiciones de equilibrio podrán sufrir ligeras modificaciones; decimos que
en tales materiales la movilidad de los portadores de carga es nula.
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La clasificación hecha para los materiales no es muy precisa puesto que no existen conductores
perfectos ni dieléctricos perfectos, además para muchos materiales no se puede saber con exacti-
tud a qué grupo pertenecen, tal como ocurre con los llamados «semiconductores» que serán obje-
to de estudio en el capítulo XXIX. Sin entrar en estos detalles, y para exponer de forma sencilla el
estudio de las situaciones electrostáticas en los conductores, definimos al CONDUCTOR IDEAL que su-
pondremos rígido y tal que en su interior las cargas pueden moverse libremente.
Todos los metales y algunas otras pocas sustancias, como el carbono, se acercan a las condi-
ciones del conductor ideal, y sus propiedades eléctricas pueden explicarse considerando que un
cierto número de electrones, aproximadamente uno por átomo del material, pueden moverse casi
libremente por todo el volumen del sólido en lugar de estar ligados a su átomo correspondiente
(«nube de carga» que se asemeja a un «gas electrónico» dentro del volumen del sólido en funcio-
nes de recipiente). Los átomos que hayan perdido uno o más electrones, al tener un defecto de
carga negativa, poseerán carga positiva, son llamados IONES y permanecen fijos en sus posiciones
en la red cristalina.
Como los electrones en los cuerpos rígidos pueden moverse con mucha más facilidad que los
iones positivos, cuando un sólido posee una carga positiva neta es debida, por lo general, a que
en esa sustancia se han extraído electrones; el caso contrario será cuando posea un exceso de
electrones.
XIX – 2. Distribución de la carga en un conductor electrizado en equilibrio

Sabemos que en un conductor las cargas pueden moverse libremente en su interior. Por tanto
si un conductor cargado es sometido a un campo eléctrico sus cargas se moverán hasta alcanzar
un estado de equilibrio. Diremos que el conductor está en equilibrio electrostático cuando sus car-
gas estén en reposo. Vamos a demostrar que en un conductor en equilibrio, sus cargas deberán es-
tar necesariamente distribuidas sobre su superficie de tal manera que el campo eléctrico sobre su
superficie sea normal a ella, y por tanto ésta sea una superficie equipotencial.
En efecto, supongamos que el conductor está cargado positivamente, podemos imaginar que
su carga neta positiva es debida a un cierto número de cargas elementales que pueden moverse li-
bremente en su interior. Estas cargas ejercen fuerzas repulsivas entre ellas que tienden a separarlas
indefinidamente, pero si el volumen del conductor es finito, las cargas se moverán hasta llegar a la
superficie de aquél, ya que suponemos que no pueden abandonarlo. Por esta razón la carga neta
del conductor deberá estar distribuida sobre la superficie.
Esta conclusión no basta para asegurar el equilibrio electrostático, puesto que las cargas
podrían moverse sobre la superficie. Supongamos que la carga q está sobre la superficie, y el cam-
po existente es el E¢ (Fig. XIX-1). La fuerza que actúa sobre ella es qE¢y la podemos descompo-
ner en la dirección normal a la superficie y en la dirección tangente. La fuerza normal no produce
ningún efecto sobre la carga, pues es anulada por las fuerzas cohesivas del material, pero la fuerza
tangencial puede desplazar la carga sobre la superficie. Según esto, para que la carga permanezca
en reposo es necesario que el campo eléctrico en los puntos de la superficie no tenga componente
tangencial, es decir, que sea perpendicular a la superficie del conductor.
Debe tenerse en cuenta que el campo eléctrico al cual nos referimos es el campo eléctrico total,
es decir, el creado por el propio conductor y el campo exterior que podría haber en algún caso.
Aclararemos esto con un ejemplo.
Supongamos que un conductor de forma esférica no posee carga neta (no está electrizado, su
carga positiva es igual a su carga negativa) y lo sometemos a un campo eléctrico uniforme exterior,
como se ilustra en la Fig. XIX-2 a, inicialmente, las cargas, tanto positivas como negativas, estarán Fig. XIX-1.– Para que la carga q esté
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en equilibrio E t =0 .