Si eliminamos todos los electrones de un conductor, ¿cómo puede reorganizarse la carga positiva?

Si de repente quitaras todos los electrones de una pieza de material, o incluso solo los electrones de valencia, te quedarías con una gran concentración de iones positivos en un pequeño volumen, que ejercerían una gran repulsión electrostática entre sí. Dado que ya no tiene la influencia de enlace de los electrones para contrarrestar esta repulsión, el material explotaría, en muy poco tiempo, en un proceso que se conoce como explosión de Coulomb.

Para poner algunos números en las cosas, suponga que tiene un milímetro cúbico de hierro y de repente quita un electrón por átomo. Esto resulta ser sobre$0.00014\:\mathrm{mol}$de hierro, pero debido a que el número de Avogadro es tan grande, eso es aproximadamente$8.491\times 10^{19}$electrones, y una carga correspondiente de aproximadamente$13.6\:\rm C$en la esfera, una distribución de carga electrostática que se mantiene alrededor$1.6\times 10^{15}\:\rm J$de energía, o sobre$385$kilotones de TNT, es decir, unas veinte veces más grande que la explosión que arrasó Hiroshima.

(Y, obviamente, esa es la cantidad de energía que necesitará poner para poder eliminar repentinamente todos esos electrones. En términos más humanos, eso es un$1\:\rm GW$central eléctrica funcionando sin parar durante 18 días. Y, como se menciona en los comentarios, esta cantidad de energía representa unas veinte veces más que la masa original en reposo del hierro).

Dicho esto, si reduce significativamente las cosas, las explosiones de Coulomb pueden convertirse en cosas bastante razonables y, de hecho, en herramientas de investigación importantes. Normalmente haces esto con moléculas pequeñas (más o menos) y agrupaciones atómicas (es decir, de unos pocos a unos cientos de átomos), donde tienes unos cientos de electrones más o menos (en lugar de decenas de quintillones), y los eliminas con un alto -haz de energía fotónica de alta intensidad procedente de un láser de electrones libres (FEL). En el proceso, puede obtener espectros de difracción de rayos X de una sola molécula, información sobre la estructura inicial desde donde volaron los átomos después de la explosión, o simplemente aprender sobre la física de los procesos de ionización y explosión. Para obtener una buena descripción general, consulte estas diapositivas de Christoph Bostedt o los artículos en esta búsqueda de Google .

No podrá eliminar todos los electrones de ningún conductor, no importa de qué tipo... La eliminación de electrones de cualquier conductor proviene de los electrones de valencia de los átomos, en particular del electrón más débilmente conectado al núcleo.

A medida que avanza, eliminando más y más electrones del conductor, creo que debería llegar a un punto en el que el conductor se romperá en la medida en que las fuerzas interatómicas/moleculares que mantienen unidos sus átomos/moléculas sean superadas por la fuerza coulombiana. entre las cargas positivas en estos átomos/moléculas.

La clave de la respuesta es donde equiparas la falta de electrones con la abundancia de protones. Esa es una analogía muy engañosa. La analogía correcta es en realidad equiparar los electrones (portadores de una carga negativa) con los huecos (que es la ausencia de un electrón donde debería estar. Los huecos tienen carga positiva).

Los protones están fijos en su lugar (al menos en un sólido, y si ignora el movimiento browniano y similares). Están "congelados" en el núcleo de cada átomo.

Un gramo de cobre, o un centímetro de alambre de cobre, contiene un número específico de átomos y, por lo tanto, un número específico de protones, y eso no cambia pase lo que pase.

Ahora bien, en una sustancia neutra, hay un electrón por cada protón en promedio . Los átomos individuales pueden perder un electrón, o incluso dos, y eso los convierte en iones positivos. Sin embargo, cuando eso sucede, estos iones ejercen una fuerte fuerza de atracción sobre los electrones. Quitar el primer electrón de un átomo neutro tiende a ser fácil (en un conductor). Eliminar un segundo se vuelve más difícil, y eliminar un tercer electrón, o incluso más, se vuelve cada vez más difícil y eventualmente imposible simplemente porque el átomo se vuelve cada vez más cargado positivamente y, por lo tanto, atractivo para los electrones.

Pero suponga hipotéticamente que podría eliminar todos los electrones de su conductor y podría evitar que los electrones del aire circundante vuelvan a entrar. Lo primero que sucedería es que todos los núcleos atómicos restantes se repelerían entre sí. Su conductor se desintegraría (probablemente con una gran explosión).

Ahora bien, si pudieras evitar eso también, aún no podrías tener un campo eléctrico. Existe un campo eléctrico entre dos cargas. Un electrón no "tiene" un campo eléctrico. Un protón no tiene un campo eléctrico.

Entonces, si pudiera eliminar todos los electrones de un conductor (que no puede), y pudiera evitar que se separe (que no puede), no quedaría nada que pudiera generar un campo eléctrico.