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Campos Eléctricos en el espacio material Teoría de Campos Electromagnéticos Francisco A. Sandoval fralbe.com

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Corriente de conducción y convección Conductores Dieléctricos Ecuación de continuidad y tiempo de relajación Condiciones en la Frontera

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Campos Eléctricos en el espacio

material

Teoría de Campos Electromagnéticos

Francisco A. Sandoval

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Agenda

Flashback

Introducción

Propiedades de los materiales

Corrientes de convección y de conducción

Conductores

Polarización en dieléctricos

Constante y resistencia dieléctricas

Dieléctricos lineales, isotrópicos y homogéneos

Ecuación de continuidad y tiempo de relajación

Condiciones en la frontera

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Quadrinho

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Introducción

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Introducción

Hasta aquí, teoría electrostática del campo vacío.

En este capítulo, teoría de los fenómenos eléctricos en el espacio material.

La mayor parte de las fórmulas deducidas son aplicables, aunque con ciertas modificaciones.

Los materiales se dividen en (de acuerdo a propiedades eléctricas):

Conductores

No conductores (aisladores o dieléctricos)

Se examina propiedades de los materiales dieléctricos: susceptibilidad, permitividad, linealidad, isotropía, etc.

Condiciones en la frontera de campos eléctricos existentes en dos medios distintos.

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Propiedades de los materiales

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Propiedades de los materiales

Los materiales se clasifican según su conductividad 𝜎

(mhos por metro):

Conductores (metales) - 𝜎 ≫ 1: cobre, aluminio

No conductores (aisladores o dieléctricos) - 𝜎 ≪ 1: vidrio,

caucho

La conductividad de un material depende de la

temperatura y la frecuencia.

Material de conductividad intermedia – semiconductor:

silicio, germanio.

La conductividad de los metales suele aumentar al

disminuir la temperatura. fralbe

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Propiedades de los materiales

Microscópicamente, la principal diferencia entre un metal

y un aislador radica en la cantidad de electrones

disponibles para la conducción de corriente.

Dieléctricos – pocos electrones disponibles

Metales – abundantes electrones libres.

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Corrientes de Convección y

Conducción

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Corrientes de Convección y conducción I

La corriente (en amperes) a través de un área dada es la carga eléctrica que pasa por

esa área por unidad de tiempo.

𝐼 =𝑑𝑄

𝑑𝑡

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Corrientes de Convección y conducción II

Si la corriente ∆𝐼 fluye a través de una superficie ∆𝑆, la densidad de corriente 𝑱 es (caso: densidad de corriente es perpendicular a la superficie)

𝐽𝑛 =∆𝐼

∆𝑆

Si la densidad de corriente no es normal a la superficie:

∆𝐼 = 𝑱 ∙ 𝑑𝑺

La corriente total que fluye a través de una superficie 𝑆 es

𝐼 = 𝑱 ∙ 𝑑𝑺𝑆

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Corrientes de Convección y conducción III

Tipos de densidad de corriente (según como se produzca

𝐼)

Densidad de corriente de convección

Densidad de corriente de conducción

Densidad de corriente de desplazamiento

La corriente de convección no satisface la ley de Ohm.

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Corrientes de Convección y conducción IV

En presencia de un flujo de carga de densidad 𝜌𝑣 a una

velocidad 𝒖 = 𝑎𝑦𝐚𝒚, la corriente a través del filamento es

La densidad de corriente en un punto es la corriente a través de un área unitaria

normal en ese punto. fra

lbe.co

m

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Corrientes de Convección y conducción V

La densidad de corriente en dirección 𝑦 𝐽𝑦 es

En general

La corriente 𝐼 es la corriente de convección y 𝐽 es la

densidad de corriente de convección, en (A/m2)

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Corrientes de Convección y conducción VI

La corriente de conducción requiere de un conductor.

Un conductor se caracteriza por una gran cantidad de electrones libres, los cuales suministran corriente de conducción debida a un campo eléctrico aplicado.

Cuando se aplica un campo eléctrico 𝑬, la fuerza sobre un electrón con carga −𝑒 es

Si (ley de Newton) el electrón con masa 𝑚 se desplaza en un campo eléctrico 𝑬 con una velocidad promedio de 𝒖, el cambio promedio en el momento del electrón libre debe ser proporcional a la fuerza aplicada:

𝜏 es intervalo temporal promedio entre colisiones. fralbe

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Corrientes de Convección y conducción VII

Si hay 𝑛 electrones por unidad de volumen, la densidad de

carga electrónica está dada por:

Así, la densidad de corriente de conducción es

o la forma puntual de la ley de Ohm

donde 𝜎 = 𝑛𝑒2𝜏/𝑚 es la conductividad del conductor.

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Conductores

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Conductores I

Un conductor perfecto no puede contener un campo electrostático. fralbe

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Conductores II

Un conductor es un cuerpo equipotencial. En cualquiera

de sus puntos el potencial es el mismo.

𝑬 = −𝛻𝑉 = 0

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Conductores III

Conductor cuyos extremos se mantienen a una diferencia de

potencial 𝑉.

𝑬 ≠ 0 dentro del conductor

No hay equilibrio estático, debido a la fuente de fuerza electromotriz.

Compele a la cargas libres a moverse e impide que se establezca el

equilibrio electrostático.

Existe campo eléctrico dentro del conductor, para sostener flujo de

corriente.

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Conductores IV

Cuando los electrones se mueven, se topan con fuerzas

amortiguadoras llamadas resistencia.

Suponer que conductor posee una sección transversal

uniforme 𝑆 y es de longitud ℓ.

La dirección del campo eléctrico 𝑬 producido es la misma que

la del flujo de cargas positivas o corriente 𝐼.

Dirección contraria a la del flujo de electrones.

El campo eléctrico es uniforme y de magnitud:

𝐸 =𝑉

𝐽 =𝐼

𝑆

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Conductores V

Remplazando 𝐽, y posteriormente 𝐸

donde 𝜌𝑐 = 1/𝜎 es la resistividad del material.

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Conductores VI

La resistencia de un conductor de sección transversal no

uniforme:

La potencia (en watts) es la rapidez de cambio de la

energía 𝑊 (en joules) o fuerza por velocidad.

Ley de Joule fralbe

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Conductores VII

En el caso de conductor de sección transversal uniforme,

𝑑𝑣 = 𝑑𝑆 𝑑𝑙, de manera que:

Forma común Ley de

Joule en teoría de

circuitos eléctricos

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Polarización en Dieléctricos

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Polarización en dieléctricos I

Considere un átomo de dieléctrico, compuesto por una carga negativa −𝑄 (nube de electrones) y una carga positiva +𝑄 (núcleo).

El átomo es neutro.

Al aplicarse campo eléctrico, carga positiva es desplazada por la fuerza 𝑭+ = 𝑄𝑬 desde su posición de equilibrio hacia la dirección de 𝑬. La carga negativa es desplazada en dirección opuesta por la fuerza 𝑭− = 𝑄𝑬

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Polarización en dieléctricos II

Por desplazamiento de cargas, resulta un dipolo, se dice

que dieléctrico ha sido polarizado.

Distribución distorsionada de carga equivalente, corresponde a

la distribución original más un dipolo de momento

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Polarización en dieléctricos III

Si hay 𝑁 dipolos en un volumen ∆𝑣 del dieléctrico, el

momento del dipolo total debido al campo eléctrico es

La polarización 𝑷 (columbs/metro cuadrado) es el

momento del dipolo por unidad de volumen del

dieléctrico

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Polarización en dieléctricos IV

El principal efecto del campo eléctrico 𝑬 sobre un

dieléctrico es la creación de momentos del dipolo que se

alinean en la dirección de 𝑬.

Polarización de una molécula polar. (a) dipolo permanente 𝑬 = 0, y (b) alineación

del dipolo permanente 𝑬 ≠ 0

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Polarización en dieléctricos V

Se supone que una distribución continua y uniforme de momentos eléctricos dipolares en todo el volumen, lo que no se produce.

Pero, una visión macroscópica, la polarización 𝑷 puede dar cuenta del aumento de la densidad del flujo eléctrico, según

La ecuación permite a 𝑬 y 𝑷 tener direcciones diferentes (ciertos dieléctricos cristalinos).

En un material isotrópico y lineal, 𝑬 y 𝑷 son paralelos en cada punto,

La susceptibilidad eléctrica 𝜒𝑒 es una constante adimensional.

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Constante y Resistencia

Dieléctricas

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Constante y Resistencia Dieléctricas I

Sustituyendo la polarización en la ecuación de densidad

de flujo eléctrico

donde

𝜀 - permitividad del dieléctrico

𝜀0 - permitividad del vacío

𝜀𝑟 - permitividad relativa

(cosntante dieléctrica)

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Constante y Resistencia Dieléctricas II

La constante dieléctrica 𝜀𝑟 es la razón de la permitividad

del dieléctrico a la del vacío. (adimensional)

La resistencia dieléctrica es el campo eléctrico máximo

que un dieléctrico puede tolerar o soportar sin

disrupción.

La disrupción dieléctrica se presenta, cuando el campo

eléctrico en un dieléctrico es suficientemente grande, entonces

comienza a arrebatar electrones a las moléculas y el dieléctrico

se convierte en conductor.

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Ecuación de Continuidad

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Ecuación de Continuidad

Por Principio de conservación de la carga, la rapidez de

reducción de la carga dentro de un volumen dado debe

ser igual al flujo neto de corriente hacia fuera a través de

la superficie cerrada del volumen.

La corriente que sale de la superficie cerrada es:

𝑄𝑖𝑛, carga total encerrada por la superficie cerrada.

Aplicando teorema de divergencia

fra

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m

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Ecuación de Continuidad

Pero

Sustituyendo

O

Ecuación de continuidad de la

corriente: no puede haber acumulación

de carga en ningún punto fralbe

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Condiciones en la Frontera

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Condiciones de Frontera I

Hasta aquí – campo eléctrico en medio homogéneo

También existe campo en región compuesta por dos

medios distintos.

Problema: determinar campo en uno de los lados de la

frontera si el campo en el otro lado es conocido.

Condiciones de frontera impuestas por el tipo de

material con el que se han producido los medios.

Dieléctrico (𝜀𝑟1) y dieléctrico (𝜀𝑟2)

Conductor y dieléctrico

Conductor y vacío fralbe

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Condiciones en la Frontera II

Para determinar condiciones en la frontera:

Emplear ecuaciones de Maxwell

Descomponer la intensidad de campo eléctrico 𝑬 en dos

componentes ortogonales.

𝑬𝒕, 𝑬𝒏 - componentes tangencial y normal a la interfaz de interés.

También la densidad e flujo eléctrico puede descomponerse de igual

manera.

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A. Condiciones en la Frontera dieléctrico-

dieléctrico I

Aplicando a la trayectoria cerrada abcda:

Como:

Las componentes tangenciales de 𝑬 son iguales en los dos lados de la frontera. 𝑬𝑡 es continua de un lado a otro de la frontera y 𝑫𝑡 es discontinua.

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A. Condiciones en la Frontera dieléctrico-

dieléctrico II

Aplicando a la superficie gaussiana:

Como:

𝜌𝑆 - densidad de carga libre deliberadamente colocada en la frontera.

𝑫 se dirige

de la región

2 a la 1

Si en la interfaz no existe carga libre:

Las componente normal de 𝑫 es continua de un lado a otro de la interfaz.

La componente normal de 𝑬 es discontinua en la frontera.

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A. Condiciones en la Frontera dieléctrico-

dieléctrico III

Determinar la refracción del campo eléctrico a través de la interfaz.

𝜃1 y 𝜃2 - ángulos con la normal a la interfaz

(a)

(b)

Dividiendo (a) entre (b)

Ley de refracción del campo eléctrico en una

frontera libre de carga.

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B. Condiciones en la frontera conductor-

dieléctrico I

Conductor perfecto (𝜎 → ∞ o 𝜌𝑐 → 0)

Mismo procedimiento que interfaz dieléctrico–dieléctrico. Incorporar que 𝑬 = 0 dentro del conductor.

Aplicando a la

trayectoria

cerrada abcda:

Cuando:

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B. Condiciones en la frontera conductor-

dieléctrico II

Puesto que 𝑫 = 𝜀𝑬 dentro del

conductor

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B. Condiciones en la frontera conductor-

dieléctrico III

En condiciones estáticas:

Dentro de un conductor no puede existir ningún campo

eléctrico.

Puesto que 𝑬 = −𝛻𝑉 = 0, no puede haber ninguna diferencia

de potencial entre dos puntos cualesquiera en el conductor. Un

conductor es un cuerpo equipotencial.

El campo eléctrico 𝑬 puede ser externo al conductor y normal

a la superficie de éste, es decir fralbe

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B. Condiciones en la frontera conductor-

dieléctrico III

Blindaje electrostático:

Es una aplicación del hecho de que

𝑬 = 0 dentro del conductor.

Si un conductor A mantenido en un

potencial de cero circunda a un

conductor B, se dice que B está

eléctricamente protegido por A

contra otros sistemas eléctricos,

como el conductor C, fuera de A.

El conductor C fuera de A es

protegido por A contra B. fralbe

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C. Condiciones en la frontera conductor-

vacío

Caso especial de las condiciones conductor-dieléctrico.

De

Remplazando 𝜀𝑟 por 1 (el vacío)

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Referencias

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Bibliografía y Referencias

Sadiku, Matthew N. O. «Elementos de Electromagnetismo»,

Editorial Alfaomega, Oxford University Press, 2010.

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