INTERACCIONES ELÉCTRICAS Carga eléctrica Campo eléctric eléctrico o Ley de Gauss Potencial eléctrico Energía potencial eléctrica Aplicaciones
APLICACIONES Conductor neutro polarizado Conductor cargado y aislado Aislante neutro polarizado Aislante cargado Condensadores
Conductor neutro polarizado •
“Gas de electrones” en un metal.
El metal se polariza y el campo de polarización anula al campo externo. En el interior del metal el campo eléctrico es nulo y el potencial es constante. Todo el conductor es un volumen equipotencial. El campo exterior es perpendicular a la superficie del conductor. Verificación experimental: ausencia de corrientes y de diferencias de potencial. •
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Conductor neutro polarizado En un campo uniforme no hay fuerza neta sobre el conductor. •
En un campo no uniforme el conductor es atraído hacia la región de campo más intenso. •
Observaciones:
Objetos metálicos livianos neutros son atraídos por objetos cargados.
El Electroscopio a) Electroscopio descargado y polarizado. b) Al hacer contacto con otro conductor, las cargas negativas salen del electroscopio. c) Al retirar primero el otro conductor y luego el objeto cargado, la carga positiva se distribuye en el electroscopio.
Conductor cargado y aislado •
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La carga en exceso se distribuye únicamente en la superficie. La densidad de carga es mayor en las regiones de menor radio de curvatura (efectos de punta). En el interior del conductor el campo eléctrico es cero y el potencial eléctrico es constante. En el exterior el campo es perpendicular a la superficie y su magnitud es proporcional a la densidad local de carga.
Blindaje electrostático de una fuente
Jaula de Faraday
Esfera metálica maciza Considere una esfera sólida conductora, cargada y aislada. El potencial eléctrico de esta esfera conductora es: a. Mayor en el centro b. Mayor en la superficie c. Mayor en cualquier parte entre el centro y la superficie d. Constante a través de todo el volumen
Q
Esferas desconectadas •
Considere dos esferas conductoras, aisladas, cada una con carga neta Q. Las esferas tienen radios A y B, con B A. La esfera que tiene mayor potencial es:
a. La de radio A b. La de radio B c. Ambas tienen el mismo potencial
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La figura muestra dos esferas metálicas A y B, cargadas, aisladas y conectadas por un alambre conductor. El radio de la esfera A es mayor que el radio de la esfera B. Es correcto afirmar que las dos esferas tienen igual:
a. Carga total b. Densidad superficial de carga c. Potencial eléctrico en la superficie d. Campo eléctrico en la superficie.
Esferas conectadas
Aislante neutro polarizado •
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No hay electrones libres debido al acoplamiento fuerte entre electrones y núcleos. La polarización se debe a los átomos o moléculas individuales, que se “deforman” en presencia de
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un campo eléctrico externo y se comportan como dipolos inducidos. El material puede tener moléculas polares que se orientan en el campo.
Aislante neutro polarizado •
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Las cargas inducidas en los bordes del material quedan sin compensar y producen un campo de polarización E P que no alcanza a compensar al campo exterior. El campo interior es menor que el exterior y tiene su misma dirección. En campos exteriores no uniformes, el material es atraído hacia las regiones de campo más intenso.
Papeles neutros atraídos hacia el plástico cargado
Aislante neutro polarizado Constante dieléctrica •
La relación entre los valores del campo eléctrico dentro del material aislante ( E d) y en ausencia del mismo ( E ) , es una constante para cada material:
Campo de ruptura •
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Como E d < E , la constante dieléctrica es siempre mayor que uno (κ > 1).
Es el máximo valor del campo eléctrico dentro de un aislante en equilibrio electrostático. Al superar este valor se produce la ruptura dieléctrica del material. Hay un súbito movimiento de cargas a través del aislante (ionización, colisiones, avalancha).
Material
Constante Campo Dieléctrica κ de Ruptura E r (MV/m) Aire 1.0006 3 Teflón 2.1 60 Polietileno 2.3 50 Papel 3.5 15 Vidrio pyrex 5 14 Mica 5.5 100 Porcelana 7 5.7 Agua 80 TiO2 100 6 (∞) (Vacío) (1)
Valores de la constante dieléctrica y del campo de ruptura para varios materiales aislantes
Descargas eléctricas a través del aire debidas al alto voltaje y campo entre los dos alambres
Los rayos se producen por la ruptura dieléctrica del aire atmosférico
Aislante cargado •
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Las cargas en exceso no tienen movilidad a través del material ni sobre su superficie. El campo producido es exterior e interior al material. El campo interior es menor que el exterior debido a la polarización del dieléctrico.
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Dos conductores eléctricos (electrodos) separados por un medio aislante. Cada electrodo es un volumen equipotencial (uno positivo, el otro negativo) dentro del cual el campo eléctrico vale cero. Entre electrodos se establece un campo eléctrico E y una diferencia de potencial ΔV . Capacidad de un condensador: [ C ] : Faradios
1F = 1C/1V
Condensadores
Varios tipos de condensadores comerciales
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Para el condensador de placas paralelas
Al colocar un dieléctrico entre las placas de un condensador se reducen los valores del campo y del potencial en un factor κ y aumenta la capacidad en este mismo factor κ : , ,
Condensadores
Condensadores Se usan dieléctricos en los condensadores para: •
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Dar estabilidad mecánica a los mismos. Aumentar su capacidad con respecto al condensador con aire. Aumentar su campo de ruptura con respecto al condensador con aire.
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La Energía Potencial eléctrica almacenada en el condensador es igual al trabajo mínimo necesario para cargarlo:
Como
, entonces
La energía se considera almacenada en el campo y puede ser utilizada (flashes, aceleradores, láseres, etc.).
Condensadores
Desfibrilador para aplicar pulsos de alto voltaje y restablecer el ritmo cardíaco normal
Condensadores Condensadores en un circuito Cuando se conectan en serie, la carga Q es igual para todos y el voltaje total es igual a la suma de los voltajes individuales: •
ΔV •
= ΔV 1 + ΔV 2 +…+ ΔV n
Como ΔV i = Q/C i , la capacidad del condensador equivalente se halla como 1/C equ = 1/C 1 + 1/C 2 +…+ 1/C n
Es decir, C equ ^-1 = Σi C i^-1
+Q
-Q
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Condensadores en un circuito Cuando se conectan en paralelo, el voltaje ΔV es igual para todos y la carga total Q es igual a la suma de las cargas individuales Q = Q1 + Q2 +…+ Qn
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Como Qi = C i ΔV , la capacidad del condensador equivalente se expresa como C equ = C 1
+
C 2
+…+
Es decir, C equ = Σi C i
C n
Condensadores
+Q
-Q
Capacidad Equivalente •
Dos condensadores idénticos pueden ser conectados en serie o en paralelo. Si lo que se quiere es obtener una capacitancia equivalente más pequeña ¿cómo los conectaría?
A. En serie B. En paralelo C. De cualquier forma, porque ambas combinaciones tienen la misma capacitancia
TRABAJO AUTÓNOMO •
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Estudiar en las Referencias los temas presentados. Trabajar sobre los ejercicios del 1.27 al 1.37 de la guía (ver el Aula Virtual y la carpeta 78). Ver y analizar los videos N°30 y N°31 de “El universo mecánico”.
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¿Qué es un corto circuito? ¿Qué es un circuito abierto? ¿Cómo funcionan los divisores de voltaje y los divisores de corriente eléctrica? ¿Cuáles son y qué significan las Reglas de Kirchhoff?
