iv aplicaciones del potencial electrico
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diapositivas explicativas sobre potencial electricoTRANSCRIPT
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INTERACCIONES ELÉCTRICAS
Carga eléctrica
Campo eléctrico
Ley de Gauss
Potencial eléctrico
Energía potencial eléctrica
Aplicaciones
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APLICACIONES
Conductor neutro polarizado
Conductor cargado y aislado
Aislante neutro polarizado
Aislante cargado
Condensadores
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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.
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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.
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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.
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Blindaje electrostático de una fuente
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Jaula de Faraday
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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
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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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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.
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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.
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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.
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Papeles neutros atraídos hacia el plástico cargado
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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).
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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) (∞)
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Descargas eléctricas a través del aire debidas al alto voltaje y campo entre los dos alambres
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Los rayos se producen por la ruptura dieléctrica del aire atmosférico
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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.
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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
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Varios tipos de condensadores comerciales
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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:
,
,
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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.
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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.).
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Desfibrilador para aplicar pulsos de alto voltaje y restablecer el ritmo cardíaco normal
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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
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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
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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
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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?