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