POLARIZACION DE DIELECTRICOS.-

La principal característica entre un conductor y un dieléctrico esta en la disponibilidad de electrones libres en la capa atómica externa para conducir una corriente, las cargas que existen en un dieléctrico no pueden moverse libremente, están ligadas por fuerzas finitas y se puede esperar un desplazamiento cuando se aplican fuerzas externas.

Un aislante en ciertos parámetros y bajo ciertas características se puede volver un conductor.



Los dieléctricos se clasifican en dos grupos principales: dieléctricos polares y dieléctricos no polares.
Influencia de un campo eléctrico en un dieléctrico tipo polar

Las moléculas de algunos dieléctricos tienen la propiedad de que la distribución interna de sus cargas no es simétrica.

En estos casos la parte positiva y negativa de cada molécula están separadas una de otra.

Si al dieléctrico se le aplica un campo eléctrico, estas moléculas llamadas dipolos, no se desplazan como lo hacen lo electrones en lo metales, sino que se orientan segun el campo aplicado.

Con esta situación se dice que el dieléctrico ha sido polarizado. Cuando el campo eléctrico desaparece, las moleculas vuelven a su estado original.
Influencia de un campo eléctrico en un dieléctrico tipo no polar.

Este tipo de dieléctrico está constituido por moléculas simétricas, desde el punto de vista de distribusión de cargas. Cuando se aplica un campo eléctrico intenso a este dieléctrico, las moléculas se transforman en dipolos orientados según el campo aplicado.

En este tipo de polarización, cuando el campo eléctrico desaparece, las moléculas recobran simetría anterior.De forma similar al caso de la polarización de un conductor, la polarización de un dieléctrico es producida por la energía transportada por el campo eléctrico.

CORRIENTE DE CONVECCION.-

La convección es el mecanismo que se produce en los fluidos cuando el calor es transportado desde zonas de mayor temperatura a otras con temperatura menor, debido a los cambios en la densidad de los materiales.

La transferencia de energía comienza cuando una porción de materia se calienta y, al dilatarse, asciende desde los puntos más calientes a los más fríos. El proceso contrario tiene lugar cuando al enfriarse un material aumenta su densidad y desciende por efecto de la gravedad.




Los procesos convectivos son también muy comunes en otras capas fluidas de la Tierra, como la atmósfera y la hidrosfera y, en determinadas condiciones físicas, también pueden darse en los sólidos.

Las corrientes de convección se deben al movimiento de partículas con carga
positiva o negativa en el vacío, en un gas enrarecido o en el aire. Como ejemplo conocido tenemos los haces de electrones en un tubo de rayos catódicos y las descargas atmosféricas. No están regidas por la ley de Ohm.



Cuando el calor se transmite por medio de un movimiento real de la materia que forma el sistema se dice que hay una propagación de calor por convección. Un ejemplo son: Los radiadores de agua caliente y las estufas de aire.

La transferencia de calor por corrientes de convección en un líquido o en un gas, está asociada con cambios de presión, debidos comúnmente a cambios locales de densidad. Un aumento de temperatura en un fluido va acompañado por un descenso de su densidad. Si aplicamos calor en la base de un recipiente, el fluido, menos denso en esta parte debido al calentamiento, será continuamente desplazado por el fluido más denso de la parte superior. Este movimiento que acompaña a la transmisión del calor se denomina convección libre.





Algunas veces las diferencias de presión se producen mecánicamente mediante una bomba o un ventilador ; en tal caso, se dice que la conducción del calor ocurre por convección forzada. En ambos casos, el calor pasa hacia dentro o fuera de la corriente a lo largo del recorrido.

El método de las corrientes de convección es uno de los más eficaces de transferencia de calor y debe tenerse en cuenta cuando se diseñe o construya un sistema de aislamiento. Si se dejan en una casa grandes espacios sin paredes, se forman muy fácilmente corrientes de convección, produciéndose pérdidas de calor. Sin embargo, silos espacios se rompen en pequeños recintos, no son posibles las corrientes de convección y las pérdidas de calor por este método son muy pequeñas. Por esta razón, los materiales aislantes usados en las paredes de refrigeradores o en las de las casas son poroso : viruta de corcho, corcho prensado, lana de vidrio u otros materiales similares. Estos, no solamente son malos conductores por sí mismos, sino que dejan además pequeños espacios de aire, que son muy malos conductores y, al mismo tiempo, lo suficientemente pequeños para que no se produzcan corrientes de convección.





*Ejemplos clásicos de convección son :
-el movimiento del viento sobre la tierra,
-la circulación del aguan en un sistema de calefacción doméstico.

Otro ejemplo es el siguiente:
En la Tierra, los gases calientes, al ser menos densos, se elevanprovocando una corriente de aire (corriente de convección) que le da a la llama su forma alargada y que proporciona el oxígeno necesario para que la llama continúe ardiendo.

En el espacio, al no haber fuerza de gravedad, no se produce la corriente de convección. Así, la llama adopta una forma esférica. Al no haber circulación de aire tampoco hay renovación de oxígeno, de manera que la llama se apagará en cuanto haya consumido el oxígeno situado dentro de la esfera de fuego.

CORRIENTE DE CONDUCCION.-

Cuando el calor de propaga sin transporte real de la sustancia que forma el sistema, por medio de intercambios energéticos (choques) entre sus partículas integrantes (átomos, moléculas, electrones ...) se dice que se ha transmitido por conducción.La cantidad de calor que fluye a través de un cuerpo por conducción depende del tiempo, del área a través de la cual fluye, del gradiente de temperatura y de la clase de material.



donde k es la conductividad térmica del material, A el área normal a la dirección del flujo de calor, t el tiempo y D T/D L es el gradiente de temperatura. El símbolo D T representa la diferencia de temperatura entre dos superficies paralelas distantes entre sí D L .





Existen grandes diferencias de conductividad térmica para distintos materiales.

Los gases tienen una conductividad muy pequeña. Igualmente, los líquidos son en general malos conductores. En el caso de los sólidos, la conductividad térmica varía de una forma extraordinaria, desde valores bajísimos, como en el caso de las fibras de amianto, hasta valores muy altos para l caso de los metales.

Los materiales fibrosos, como el fieltro o el amianto, son muy malos conductores (buenos aislantes) cuando están secos ; si se humedecen, conducen el calor bastante bien. Una de las dificultades para el uso de estos materiales como aisladores es el mantenerlos secos.

En su estado normal los átomos de un conductor ocupan posiciones regulares en la estructura cristalina. Los átomos consisten en un núcleo con carga positiva rodeados de electrones dispuestos en capas. Los electrones de las capas exteriores tienen una ligadura muy débil con el núcleo y pueden pasar de un átomo a otro en forma aleatoria. Cuando se aplica un campo eléctrico externo a un conductor tiene lugar un movimiento organizado de los electrones de conducción y se produce una corriente eléctrica. La velocidad media de deriva de los electrones es muy baja, del orden de 10-4 o 10-3 m/s, ya que chocan con los átomos durante su movimiento y disipan parte de su energía cinética en forma de calor (efecto Joule).




En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

CONDUCTORES.-

Son materiales que tienen portadores de carga que pueden desplazarse libremente, y que por consiguiente cuando se aplica un campo eléctrico se origina una corriente. Hay varios tipos: electrolíticos, metálicos y superconductores.





Los conductores eléctricos son los materiales que puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad como son el grafito, las soluciones salinas (ejem. el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el mejor conductor es la plata pero es muy cara, así que el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos.

Electrostatica

Unidad II.- Electrostática

- Campos electrostáticos en el vacio.
- Campos electrostáticos en el campo material.
- Problema con valores en las fronteras en electrostática.

Ley de Coulomb


F= k q1q2/r²


F= Fuerza de atracción o repulsión. (N)
k= cte de coulomb 9x10^9 (Nm²/c²)
q1q2= cargas eléctricas de coulomb. (c)
r= distancia/ cargas (m)



F= Nm²/c² x c-c/m² = N


Se eliminan los coulomb y los metros para quedar en función de N=Newtons


Ejercicio.-

1.- Calcular la fuerza de atracción de dos cargas puntuales de 5c cuya separación es de 1m.

F= kq1q2/r²= (9x10^9)·(5)(5)/1= 2.25x10^11

Ejercicio.-

2.-Cual es la distancia de separación de dos cargas q1q2 de 10 y 15 coulomb, que experimenta una fuerza de repulsión de 5x10^6N.

r²= k·q1q2/f r=√k·q1q2/f


r=√(9x10^9)[(10)(15)]/5x10^6= 519.61N


3.- Que fuerza experimenta una carga de 5 microcoulomb (Mc) cuya separación es de 2m.

F=(9x10^6)·(5000000)/2 = 2.25x10^13


4.-Una carga de 3x10^-6 se encuentra a 2m de una carga de -8x10^6 ¿Cual es la magnitud de la fuerza de atracción entre las cargas?

q1= 3x10^6c
q2=-8x10^6c
d=2m
k=9x10^9Nm²/c²

F=9x10^9·(3x10^6)(8x10^6)/(2)²
F= 0.054N
F=54x10^-3

4.- Dos cargas eléctricas q1 y q2 se encuentran separadas "d" y experimentan una fuerza de repulsión de 40N. Si la distancia entre entre las cargas se duplica. ¿Cual es la magnitud de la nueva fuerza de repulsión?


F∞= q/r²

40N= q/(2r)²= q/4r²

F/r²= 40N/(2)² = 40/4= 10N



Campo Eléctrico
Región del espacio que rodea una carga eléctrica.
La magnitud del campo eléctrico producido por un campo de fuerza F sobre una carga de prueba q se obtiene con la formula;



E= F/q



F= Magnitud del campo de fuerza. (N)
q= Carga de prueba. (c)
E= Magnitud de campo eléctrico. (N/c)



La magnitud del campo eléctrico producido por una carga puntual q a una distancia d , de ella se obtiene con la formula ;



E= k·q/d²


k=9x10^9 (Nm²/c²)
q= Carga de prueba. (c)
E= Magnitud de campo eléctrico. (m)



E= Nm²/c²·c/m²= N/c



Ejercicios.-

1.- Una carga de 5x10^-6c se introduce a una región donde actúa un campo de fuerza de 0.04N. ¿Cual es la intencidad del campo eléctrico en esa región?

E=0.04N/5x10^-6= 8000 N/c


2.- El campo electrico de distancia d, d e una carga q es E, si la distancia se reduce a una cuarta parte. ¿Cual es la nueva magnitu del campo electrico?

E= k·q/d² =k·q/ 1/16d² =16kq/d²



3.- La magnitud del campo eléctrico producido por una carga de 4x10-6c a una distancia de 30cm de su centro es;


E= k·q/d² = 9x10^9·(4x10^-6/(0.30)²)=400N/c

Ejercicio

Un automovil de 3.5 m viaja con rapidez constante de 20 m/s y se acerca aun cruce de 20 m de ancho.

El semaforo se pone en amarillo cuando el frente del auto esta a 50 m del cruce.

Si el conductor pisa el freno, el auto se frenará a -3.8m/s^2; si pisa el acelerador el auto acelerará a 2.3 m/s^2.

El semaforo estará en amarillo en 3 s. Suponga que el conductor reacciona instantaneamente.

¿Deberá éste, para no estar en el cruce con el semaforo en rojo, pisar el freno o el acelerador?

af= -3.8 m/s^2a
=2.3 m/s^2Δt= 3 s

Δx real=73.5 m
Δx=V0Δt+1/2a(Δt)^2

= cuando el automovil acelera =
Δx=(20m/s)(3 s)+ (1/2)(2.3m/s^2)(3s)^2
Δx=70.35m

cuando el automovil frena=Δx=20m/s)(3s)+(1/2)(-3.8m/s^2)(3s)^2

Δx=77.1 m

por lo tanto el automovil deberá pisar el freno para no quedar parado en el cruce.