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“Año de la consolidación del Mar de Grau”
UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTNE! DE MA"OLO MA"OLO FACULT FACULTAD DE INGENIERIA IN GENIERIA DE MINAS GEOLOGIA Y METALURGIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS
FISICA III Monografia
In#e$ran#es%
Códi$o
Alvarado Villanueva Albert Albert A
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'alta(ar Re)e* +e*u*
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'or-a Morillo Ri./art
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S0n./e( De1a( +onat/an
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Cueva Mendo(a E3rain
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Docen#e% M$& 'l(are) Cas#illo Se$undo Manuel
“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”
*OTENCIAL ELECTRICO
I&INTRODUCCI+N E* *abido 4ue todo* lo* ob-eto* 1o*een una 1ro1iedad .ono.ida .o5o .ar6a el7. el7.tr tri. i.a a Un .a51 .a51o o el7.t el7.tri ri.o .o e-er e-er.e .e una una 3uer 3uer(a (a *obre *obre un ob-e ob-eto to .ar6 .ar6ad ado8 o8 a.elerando a 7*te en la dire..i9n de la 3uer(a8 )a *ea en el 5i*5o *entido o en el *entido o1ue*to a la dire..i9n del .a51o Si el ob-eto .ar6ado tiene una .ar6a 1o*itiva8 la 3uer(a ) la a.elera.i9n e*t0n en la 5i*5a dire..i9n del .a51o E*ta 3uer(a tiene la 5i*5a dire..i9n 4ue el ve.tor .a51o el7.tri.o8 ) *u 5a6nitud e*t0 dada 1or el valor de la .ar6a 5ulti1li.ado .on la 5a6nitud del .a51o el7.tri.o Lo* .on.e1to* tale* .o5o 3uer(a8 ener6:a8 1oten.ial8 et. Son e;1lorado* ) e*tudiado* .on 50* detalle en la 5e.0ni.a .l0*i.a A4u: *e 5ue*tra 4ue la 3uer(a ) la ener6:a 1oten.ial 1oten.ial e*t0n rela.ionada* rela.ionada* dire.ta5ente dire.ta5ente A*: 1or e-e51lo8 e-e51lo8 .uando un ob-eto *e 5ueve en la dire..i9n de la 3uer(a8 e*ta lo a.elera8 di*5inu)endo *u ener6:a 1oten.ial A*: 1or e-e51lo8 la ener6:a 1oten.ial de una bala de .a<9n e* 5a)or en la .i5a de una .olina 4ue en la ba*e de la 5i*5a Por otro lado8 .uando el 59vil de*.iende *u ener6:a 1oten.ial di*5inu)e di./a di*5inu.i9n de ener6:a 1oten.ial *e tran*3or5a en ener6:a .in7ti.a de 5ovi5iento Para .ierta* 3uer(a*8 e* 1o*ible de3inir el =1oten.ial> de un .a51o tal 4ue la ener6:a 1oten.ial de un ob-eto debido al .a51o e* de1endiente *ola5ente de la 1o*i.i9n del ob-eto .on re*1e.to al .a51 .a51o o E*te E*te e3e. e3e.to to de la* la* 3uer 3uer(a (a** *obr *obre e lo* lo* ob-e ob-eto to** de1e de1end nde e *olo *olo de la* la* 1ro1iedade* intr:n*e.a* del ob-eto ) de *u 1o*i.i9n8 ) obede.en a otra* re6la* 5ate50ti.a* Do* de tale* *on la 3uer(a 6ravita.ional ) la 3uer(a el7.tri.a en au*en.ia de .a51o* 5a6n7ti.o* variable* .on el tie51o El 1oten.ial de un .a51o el7.tri.o el lla5ado 1oten.ial el7.tri.o El 1oten.ial el7.tri.o *e 5ide en voltio* En e*te .a1:tulo de3inire5o* la ener6:a 1oten.ial el7.tri.a8 la di3eren.ia de 1ote 1oten. n.ia iall ) la 3un. 3un.i9 i9n n 1ote 1oten.i n.ial al el7.t el7.tri ri.o .o ) dete deter5 r5in inar are5 e5o* o* el 1ote 1oten.i n.ial al de di*tribu.ione* di*.reta* ) .ontinua* de .ar6a Po*terior5ente vere5o* la rela.i9n entre el .a51o ) el 1oten.ial el7.tri.o* 1ara 3inal5ente e*tudiar el 1oten.ial en el interior de .ondu.tore*
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“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”
CA*ITULO I& *OTENCIAL ELECTRICO El ,o#encial el-c#rico o ,o#encial elec#ros#.#ico en un 1unto8 e* el traba-o 4ue debe reali(ar un .a51o ele.tro*t0ti.o 1ara 5over una .ar6a 1o*itiva de*de di./o 1unto /a*ta el 1unto de re3eren.ia8 ! dividido 1or unidad de .ar6a de 1rueba Di./o de otra 3or5a8 e* el traba-o 4ue debe reali(ar una 3uer(a e;terna 1ara traer una .ar6a 1o*itiva unitaria 4 de*de el 1unto de re3eren.ia /a*ta el 1unto .on*iderado en .ontra de la 3uer(a el7.tri.a a velo.idad .on*tante Mate50ti.a5ente *e e;1re*a 1or?
V =
W q
El 1oten.ial el7.tri.o *9lo *e 1uede de3inir un:vo.a5ente 1ara un .a51o e*t0ti.o 1rodu.ido 1or .ar6a* 4ue o.u1an una re6i9n 3inita del e*1a.io Para .ar6a* en 5ovi5iento debe re.urrir*e a lo* 1oten.iale* de Li7nard@ie./ert 1ara re1re*entar un .a51o ele.tro5a6n7ti.o 4ue ade50* in.or1ore el e3e.to de retardo8 )a 4ue la* 1erturba.ione* del .a51o el7.tri.o no *e 1ueden 1ro1a6ar 50* r01ido 4ue la velo.idad de la lu( Si *e .on*idera 4ue la* .ar6a* e*t0n 3uera de di./o .a51o8 la .ar6a no .uenta .on ener6:a ) el 1oten.ial el7.tri.o e4uivale al traba-o ne.e*ario 1ara llevar la .ar6a de*de el e;terior del .a51o /a*ta el 1unto .on*iderado La unidad del Si*te5a Interna.ional e* el voltio BV Todo* lo* 1unto* de un .a51o el7.tri.o 4ue tienen el 5i*5o 1oten.ial 3or5an una *u1er3i.ie e4ui1oten.ial Una 3or5a alternativa de ver al 1oten.ial el7.tri.o e* 4ue a di3eren.ia de la ener6:a 1oten.ial el7.tri.a o ele.tro*t0ti.a8 7l .ara.teri(a *9lo una re6i9n del e*1a.io *in to5ar en .uenta la .ar6a 4ue *e .olo.a a/:
TRA/A0O EL1CTRICO " ENERG2A *OTENCIAL EL1CTRICA Con*id7re*e una .ar6a el7.tri.a 1untual 4 en 1re*en.ia de un .a51o el7.tri.o E La .ar6a e;1eri5entar0 una 3uer(a el7.tri.a? F 4E
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B!
“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” E*ta 3uer(a reali(ar0 un traba-o 1ara tra*ladar la .ar6a de un 1unto A a otro /8 de tal 3or5a 4ue 1ara 1rodu.ir un 1e4ue
B%
Por lo tanto8 inte6rando la e;1re*i9n B% *e obtiene el traba-o total reali(ado 1or el .a51o el7.tri.o? B
∫ qE.dl
W =
B&
A
Un .a*o 1arti.ular de la 39r5ula anterior8 e* el de un .a51o el7.tri.o de3inido .reado 1or una .ar6a 1untual e*t0ti.a Sea una .ar6a 1untual 4ue re.orre una deter5inada tra)e.toria A @/ en la* in5edia.ione* de una .ar6a tal ) .o5o 5ue*tra la 3i6ura ! Siendo el de*1la(a5iento in3inite*i5al de la .ar6a en la dire..i9n radial8 el traba-o di3eren.ial *e 1uede e;1re*ar a*:? B
B
∫
∫
A
A
∫
W = F . dl= F . dl cos= F . dr
B"
Para .al.ular el traba-o total8 *e inte6ra entre la 1o*i.i9n ini.ial A8 di*tante rA de la .ar6a ) la 1o*i.i9n 3inal '8 di*tante r' de la .ar6a ? rB
∫
rB
Qq 1 1 = ( − ) ∫ 14 Qq 4 rA rB r
W = F . dr = rA
2
rA
B,
En la e;1re*i9n B,8 ε e* la 1er5itividad del va.:o de di./a e;1re*i9n *e .on.lu)e 4ue el traba-o no de1ende de la tra)e.toria *e6uida 1or la 1art:.ula8 *9lo de1ende de la 1o*i.i9n ini.ial ) 3inal8 lo .ual i51li.a 4ue la 3uer(a el7.tri.a F e*
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“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” una 3uer(a .on*ervativa Por lo tanto *e 1uede de3inir una ener6:a 1oten.ial 4ue 1er5ite .al.ular el traba-o 50* 30.il5ente? Ep=
1 4
Qq r
BH
El traba-o reali(ado 1or la 3uer(a el7.tri.a 1ara de*1la(ar una 1art:.ula entre A ) / *er0? @ ∆E1 E1A E1'
BJ
U*ual5ente8 el nivel .ero de ener6:a 1oten.ial *e *uele e*table.er en el in3inito8 e* de.ir8 *i ) *9lo *i r ∞ → E1 # Be*to tiene 4ue ver .on la ele..i9n de la .on*tante de inte6ra.i9n en la 39r5ula del 1oten.ial
DI3ERENCIA DE *OTENCIAL EL1CTRICO Con*id7re*e una .ar6a de 1rueba 4 # 1o*itiva en 1re*en.ia de un .a51o el7.tri.o ) 4ue *e tra*lada de*de el 1unto A al 1unto / .on*erv0ndo*e *ie51re en e4uilibrio Si *e 5ide el traba-o 4ue debe /a.er el a6ente 4ue 5ueve la .ar6a8 la di3eren.ia de 1oten.ial el7.tri.o *e de3ine .o5o? V' @ V A vVVVVVGFHGFKF
WAB q0
El traba-o A' 1uede *er 1o*itivo8 ne6ativo o nulo En e*to*
.a*o* el 1oten.ial el7.tri.o en / *er0 re*1e.tiva5ente 5a)or8 5enor o i6ual 4ue el 1oten.ial el7.tri.o en A La unidad en el SI 1ara la di3eren.ia de 1oten.ial 4ue *e dedu.e de la e.ua.i9n anterior e* 0oule4Coulo56 ) *e re1re*enta 5ediante una nueva unidad8 el (ol#io8 e*to e*? 7 (ol#io 8 7 9oule4coulo56 Un ele.tronvoltio BeV e* la ener6:a ad4uirida 1ara un ele.tr9n al 5over*e a trav7* de una di3eren.ia de 1oten.ial de ! V8 ! eV !8H;!# @!2 + Al6una* ve.e* *e ne.e*itan unidade* 5a)ore* de ener6:a8 ) *e u*an lo* Kiloele.tronvoltio* BKeV8 5e6aele.tronvoltio* BMeV ) lo* 6i6aele.tronvoltio* BGeV B! KeV!# & eV8 ! MeV !#H eV8 ) ! GeV !# 2eV A1li.ando e*ta de3ini.i9n a la teor:a de .ir.uito* ) de*de un 1unto de vi*ta 50* intuitivo8 *e 1uede de.ir 4ue el 1oten.ial el7.tri.o en un 1unto de un .ir.uito re1re*enta la ener6:a 4ue 1o*ee .ada unidad de .ar6a al 1a*o 1or di./o 1unto
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“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” A*:8 *i di./a unidad de .ar6a re.orre un .ir.uito .on*titu)7ndo*e en .orriente el7.tri.a8 7*ta ir0 1erdiendo *u ener6:a B1oten.ial o volta-e a 5edida 4ue atravie*a lo* di3erente* .o51onente* del 5i*5o Obvia5ente8 la ener6:a 1erdida 1or .ada unidad de .ar6a *e 5ani3e*tar0 .o5o traba-o reali(ado en di./o .ir.uito B.alenta5iento en una re*i*ten.ia8 lu( en una l051ara8 5ovi5iento en un 5otor8 et. Por el .ontrario8 e*ta ener6:a 1erdida *e re.u1era al 1a*o 1or 3uente* 6eneradora* de ten*i9n E* .onveniente di*tin6uir entre 1oten.ial el7.tri.o en un 1unto Bener6:a 1or unidad de .ar6a *ituada en e*e 1unto ) .orriente el7.tri.a Bn5ero de .ar6a* 4ue atravie*an di./o 1unto 1or *e6undo U*ual5ente *e e*.o6e el 1unto A a una 6ran di*tan.ia Ben ri6or el in3inito de toda .ar6a ) el 1oten.ial el7.tri.o V A a e*ta di*tan.ia in3inita re.ibe arbitraria5ente el valor .ero E*to 1er5ite de3inir el 1oten.ial el7.tri.o en un 1unto 1oniendo V A # ) eli5inando lo* :ndi.e*? V =
W V =¿ q0
Siendo el traba-o 4ue debe /a.er un a6ente e;terior 1ara 5over la .ar6a de 1rueba de*de el in3inito al 1unto 4 #en .ue*ti9n Ob*7rve*e 4ue la i6ualdad 1lanteada de1ende de 4ue *e da ar6i#raria5en#e el valor .ero al 1oten.ial V A en la 1o*i.i9n de re3eren.ia Bel in3inito el .ual /ubiera 1odido e*.o6er*e de .ual4uier otro valor a*: .o5o ta5bi7n *e /ubiera 1odido *ele..ionar .ual4uier otro 1unto de re3eren.ia Ta5bi7n e* de /a.er notar 4ue *e6n la e;1re*i9n 4ue de3ine el 1oten.ial el7.tri.o en un 1unto8 el 1oten.ial en un 1unto .er.ano a una .ar6a 1o*itiva ai*lada e* 1o*itivo 1or4ue debe /a.er*e traba-o 1o*itivo 5ediante un a6ente e;terior 1ara llevar al 1unto una .ar6a de 1rueba B1o*itiva de*de el in3inito Si5ilar5ente8 el 1oten.ial .er.a de una .ar6a ne6ativa ai*lada e* ne6ativo 1or4ue un a6ente e;terior debe e-er.er una 3uer(a Btraba-o ne6ativo en e*te .a*o 1ara *o*tener a la .ar6a de 1rueba B1o*itiva .uando e*ta Bla .ar6a 1o*itiva viene de*de el in3inito Por lti5o8 el 1oten.ial el7.tri.o 1or4ue ) 4# *on e*.alare*
4ueda
de3inido
.o5o
un
e*.alar
Tanto A' .o5o V' @ V A *on inde1endiente* de la tra)e.toria 4ue *e *i6a al 5over la .ar6a de 1rueba de*de el 1unto A /a*ta el 1unto / Si no 3uera a*:8 el 1unto / no tendr:a un 1oten.ial el7.tri.o ni.o .on re*1e.to al 1unto A ) el .on.e1to de 1oten.ial *er:a de utilidad re*trin6ida
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“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” Una .ar6a de 1rueba *e 5ueve de*de A /a*ta ' en el .a51o de .ar6a 4 *i6uiendo una de do* tra)e.toria* La* 3le./a* 5ue*tran a E en tre* 1unto* de la tra)e.toria II
E* 1o*ible de5o*trar 4ue la* di3eren.ia* de 1oten.ial *on inde1endiente* de la tra)e.toria 1ara el .a*o e*1e.ial re1re*entado en la 3i6ura Para 5a)or *i51li.idad *e /an e*.o6ido lo* 1unto* A ) / en una re.ta radial Una .ar6a de 1rueba 1uede tra*ladar*e de*de A /a.ia / *i6uiendo la tra)e.toria I *obre una re.ta radial o la tra)e.toria II .o51leta5ente arbitraria La tra)e.toria II 1uede .on*iderar*e e4uivalente a una tra)e.toria 4uebrada 3or5ada 1or *e..ione* de ar.o ) *e..ione* radiale* alternada* Pue*to 4ue e*ta* *e..ione* *e 1ueden /a.er tan 1e4ue
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