Digamos que tienes un conductor lleno de electrones libres. Los núcleos tienen una atracción débil sobre los electrones de valencia, por lo que se mueven en el conductor.
Pero los electrones no abandonan el sólido. Si acerca un objeto cargado positivamente al conductor, los electrones pueden moverse hacia el otro lado del objeto, pero no lo dejarán, casi como si hubiera una "pared" bloqueándolo.
¿Por qué las superficies actúan como barreras/muros para los electrones libres?
He recibido las siguientes explicaciones:
1) Son atraídos por los núcleos, por lo que son retraídos.
Mi problema con esto: los conductores tienen una fuerza de atracción débil sobre los electrones, entonces, ¿por qué se necesita una fuerza extremadamente grande para contrarrestar el tirón de los núcleos? Y también, ¿qué hace que el límite sea tan especial?
Si el electrón puede moverse libremente dentro del sólido, ¿qué hace que sea mucho más difícil moverse fuera del sólido, ya que la fuerza ejercida por los núcleos es la misma?
2) Piense en los electrones como sostenidos por los núcleos por una cuerda. Si tira de él, es posible que pueda alejar el electrón, pero necesitaría una fuerza más fuerte para romper la "cuerda" de los núcleos.
Mi problema con esto: esta analogía no funciona. Las cuerdas elásticas siguen la Ley de Hooke:
Sin embargo, las fuerzas electromagnéticas siguen la Ley de Coloumb:
A medida que aumenta la distancia, disminuye la fuerza de retroceso .
También tenga en cuenta que sé que puede hacer que los electrones salgan de un conductor, pero esto requiere un alto voltaje.
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Si me detuviera en la calle y me preguntara, diría que probablemente se deba a que dentro del conductor, las fuerzas de atracción de los núcleos son bastante uniformes, por lo que el movimiento en una dirección es tan fácil como el movimiento en cualquier otra. En la superficie, sin embargo, solo hay fuerzas en un lado del electrón, es decir, de los núcleos en la superficie del conductor. Las moléculas de aire no atraen los electrones con la fuerza suficiente para alejarlos porque son dipolos neutros o relativamente débiles. Como resultado, los electrones se unen efectivamente a la superficie del conductor a menos que se aplique un voltaje suficientemente alto para vencer las fuertes atracciones de los núcleos del conductor.
O eso supongo.
No olvidemos que cuando hablamos de electrones estamos hablando de partículas elementales.
Las partículas elementales se mueven siempre dentro de los límites de la Mecánica Cuántica . En QM, el electrón ve un potencial, es decir, la atracción de las cargas del núcleo (núcleos), y está ligado a él en un nivel de energía o es libre. Puede estar unido a un solo núcleo, a una molécula que comparte los núcleos, a un cristal que comparte el orden de 10 ^ 23 núcleos. En cierto sentido, esto último es lo que está sucediendo en los metales.
Los estados QM se definen sobre el potencial común de los núcleos en la red del metal, un problema de muchos cuerpos, aún así, los electrones están ligados por un nivel de energía específico definido por este potencial; en los metales, debido al gran número de núcleos en la red y la estructura de los núcleos*, los electrones externos tienen disponible una banda de energía donde las diferencias de nivel de energía de los muchos niveles son muy pequeñas.
Dado que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado, significa que para cualquier cambio de dirección se les debe suministrar cierta energía en forma de fotones virtuales o reales para el cambio necesario en la ocupación del nivel de energía. Debido a que estas diferencias de nivel de energía dentro de la banda son pequeñas en la dirección vertical hacia la superficie, solo dentro de la banda , tienen la movilidad que medimos en el metal y se acumulan donde la diferencia de potencial general los atrae: es decir, saltan niveles de energía absorbiendo energía como fotones virtuales del potencial dentro de la banda.
Para salir de la banda y de la superficie del metal, un electrón tiene que absorber un fotón virtual o real de mucha más energía que la energía de los fotones virtuales necesarios para el "movimiento" dentro de la banda. En cierto sentido, la banda cumple la función del estado de energía específico de un electrón en un átomo de hidrógeno, por ejemplo, en cuanto a salir de la superficie. Los dipolos y los momentos superiores de las moléculas neutras no pueden suministrar esa energía con fotones fuera de masa, no pueden atraer los electrones de la banda lo suficiente como para expulsarlos y unirlos a la molécula.
En pocas palabras, se debe absorber mucha más energía en forma de fotones virtuales o reales para salir de la banda/superficie que para moverse dentro de la banda. En cierto sentido, es la estructura de banda que existe en los metales que es el estado inusual de la materia, ya que toda la materia cede sus electrones al aire con dificultad (fotones virtuales o reales de gran energía). La estructura de la banda permite la movilidad en metal y es la característica única que necesita una explicación que espero haber dado.
Aunque realmente no estoy muy versado en estos temas, intentaré responder a su pregunta en un lenguaje bastante simple y no matemático.
La barrera no es la pared del conductor. En cambio, es el aire entre el cuerpo cargado y el conductor. Los electrones simplemente no pueden viajar libremente en el aire a menos que haya un cuerpo muy cargado (eso es lo que sucede durante los rayos o chispas).
Ahora a la parte de por qué de su pregunta. Los electrones saltan de un átomo a otro y luego atraviesan. Los átomos del conductor permiten el paso de electrones pero el aire no porque el aire no tiene electrones libres. Entonces, los electrones cerca de la superficie no pueden moverse más. Y creo que en el y VINAY ha dado un buen diagrama para aclarar mi explicación.
En resumen, dentro del conductor los electrones pueden atravesar pero eso no puede suceder fuera del conductor. Espero que esto aclare tu duda.
dfg
EtaZetaTheta