INTERACCIONES ELÉCTRICAS

Carga eléctrica

Campo eléctrico

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.

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

• 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

Esferas conectadas • 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.

Aislante neutro polarizado

• 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 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

• Las cargas inducidas en los bordes del material quedan sin compensar y producen un campo de polarización EP 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 (Ed) y en ausencia del mismo (E), es una constante para cada material:

• Como Ed < E, la constante dieléctrica es siempre mayor que uno (κ > 1).

Campo de ruptura

• 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).

Valores de la constante dieléctrica y del campo de ruptura para varios materiales aislantes

Material Constante

Dieléctrica κ

Campo

de Ruptura Er (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) (∞)

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

• 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.

Condensadores • 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

Varios tipos de condensadores comerciales

Condensadores • 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

Se usan dieléctricos en los condensadores para:

• 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.

Condensadores • 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.).

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 = ΔV1 + ΔV2 +…+ ΔVn

• Como ΔVi = Q/Ci , la capacidad del condensador equivalente se halla como

1/Cequ = 1/C1 + 1/C2 +…+ 1/Cn

Es decir,

Cequ ^-1 = Σi Ci^-1

+Q -Q

Condensadores 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

• Como Qi = Ci ΔV , la capacidad del condensador equivalente se expresa como

Cequ = C1 + C2 +…+ Cn

Es decir,

Cequ = Σi Ci

+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

• 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”.

• ¿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?