Diferencia de potencial y potencial eléctricos. En el campo gravitatorio.

Transcripción

1 Difeencia de potencial y potencial elécticos En el campo gavitatoio.

2 Difeencia de potencial y potencial elécticos El tabajo se cuantifica po la fueza que ejece el campo y la distancia ecoida. W F d

3 Difeencia de potencial eléctico Si se desea coloca el cuepo en el mismo punto un agente exteno tiene que ealiza el mismo tabajo peo en sentido contaio paa vence el campo. W F d mg d

4 Difeencia de potencial eléctico El tabajo se considea negativo cuando se ealiza en conta del campo (-W).

5 Difeencia de potencial eléctico Cuando el tabajo es negativo, la difeencia de enegía potencial (Epf-Epi) es positiva ya que el punto f se encuenta a una cieta altua con especto a la efeencia implícita que es el nivel del piso y cuya enegía potencial en ese punto vale ceo (punto inicial i). W E P E Pf E Pi

6 Difeencia de potencial eléctico En caso eléctico se pesenta una situación semejante: Paa move una caga de un punto inicial i a un punto final f en conta del campo un agente exteno tienen que desaolla tabajo

7 Difeencia de potencial eléctico i W f i f F dl q i f E dl Donde: q es la cagaeléctica E es el campo dl es el vecto que indica la tayectoía seguida.

8 Difeencia de potencial eléctico Se define la difeencia de potencial eléctico como el tabajo que un agente exteno ealiza paa move una caga del punto inicial i al punto final f : f i W q i W q f f E i dl

9 Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual Quién ealiza el tabajo paa move los pelillos de conejo?

10 Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual Considee la caga puntual Q mostada en la figua:

11 Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual Se desea detemina la difeencia de potencial que ealiza un agente exteno paa move la caga puntual Q del punto i al punto f. Utilizando la expesión anteio: f E dl f i i [ ]

12 Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual Recodando que el campo eléctico poducido po una caga puntual Q se cuantifica po: Q E ke 2 ˆ Sustituyendo en la ecuación anteio

13 Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual ˆ d l f Q J ke ˆ d l f i i 2 C cos θ d l 1cos(180 )d l d l ; y además d l d ˆ fi fi f f i i kq f d i 2 kq 1 f 1 kq 1 i f i [ ]

14 Ejemplo de Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual Considee la caga puntual Q2.51 [nc] mostada en la figua. Detemine la difeencia de potencial ente los puntos A(0,30,0)[cm] y B(0,50,0)[cm], es deci, AB.

15 Ejemplo de Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual Utilizando la expesión y sustituyendo valoes: AB AB A B ke 9 Q A B ( ) 22.59(1.33) [ ] A B 22.59

16 Difeencia de potencial o voltaje debido a una caga puntual De donde a donde se mueve la caga? Quién ealiza el tabajo? Si el punto B cambiaa de coodenadas (0,50,0)[cm] a (0,0, 50)[cm]. Cuál seia el valo de la difeencia de potencial AB? Si el punto B cambiaa de coodenadas a (0,30,0)[cm]. Cuál seia el valo de la difeencia de potencial AB? Cómo son las supeficies equipotenciales paa la caga puntual? ideo 31 voltaje y enegía

17 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales Considee el plano xy de la figua donde se muestan dos cagas puntuales q1-20[uc](1,2)[cm], q240[uc] (2,5) [cm] y los puntos A(2,2)[cm], B(5,5)[cm] y C(6,2)[cm], detemina:

18 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales a) La difeencia de potencial ente los puntos A y B, es deci, AB. AB AB 1 + AB2 keq keq 1 2 A1 B1 A2 B2 1 1 AB ke q1 + ke q ( ) [ ] AB

19 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales b) La enegía potencial eléctica de q2. Como el potencial de un punto (explica potencial eléctico) epesenta la enegía potencial po unidad de caga, al multiplicala po la caga se obtiene la enegía potencial total. U 2 q 2 ; 2 2 ke q

20 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales b) La enegía potencial eléctica de q2. U Sustituyendo valoes: 2 q 2 ; ke q ( 6 ) (31.62) [ ] ( ) [ J] U

21 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales c) El tabajo necesaio paa move una caga q3-8[uc], cuasiestáticamente, del punto A al punto B. De la definición de tabajo A B q E dl B A W q BA A W B q 3 BA ( ( 6 10 ) 115.2[ J] ) 14.4

22 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales Considee el plano xy, donde se encuentan tes cagas puntuales q110[nc](-2,2)[cm], q2-20[nc](0,-2)[cm] y q320[nc] (2,2)[cm]; y los puntos A(0,2)[cm] y B(2,0)[cm], detemina: La difeencia de potencial AB :5[]

23 Difeencia de potencial debido a vaias cagas puntuales Detemine: a) La difeencia de potencial ente los puntos A y B, es deci, AB. b) La enegía potencial eléctica de q2. c) El tabajo necesaio paa move una caga q4 10[uC], cuasiestáticamente, del punto A al punto B.

24 Difeencia de potencial eléctico ente dos puntos poducida po una línea infinita cagada unifomemente. En la figua se muesta una línea con caga positiva distibuida unifomemente, coincidente con el eje x. La difeencia de potencial ente los puntos inicial i y final f queda definida po la siguiente expesión:

25 Difeencia de potencial eléctico ente dos puntos poducida po una línea infinita cagada unifomemente f i f E i d l Realizando el poducto punto f i f E dy i i f k dy f λ k 2 lny k2 y i 2 λ λ y ln y i f [ ]

26 Difeencia de potencial eléctico ente dos puntos poducida po una supeficie infinita cagada unifomemente Ụna supeficie infinita, con distibución unifome de caga positiva σ, coincidente con el plano xz, se muesta en la siguiente figua, detemina la difeencia de potencial fi.

27 Difeencia de potencial eléctico ente dos puntos poducida po una supeficie infinita cagada unifomemente Como en toda la tayectoia ente los puntos inicial i y final f se cumple que el campo eléctico esta definido po E σ 2ε 0 ˆj

28 Difeencia de potencial eléctico ente dos puntos poducida po una supeficie infinita cagada unifomemente entonces la difeencia de potencial ente dichos puntos es f i f E dl i yf yi σ 2ε 0 dy σ 2ε 0 y yf yi f i σ 2ε 0 (y i y f )[]

29 Difeencia de potencial eléctico poducida po dos supeficies infinitas, paalelas y con cagas iguales en magnitud y signo contaio. El punto inicial i es coincidente con la supeficie de la izquieda (que tiene caga negativa) y el punto final f es coincidente con la supeficie de la deecha (que tiene caga positiva).

30 Difeencia de potencial eléctico poducida po dos supeficies infinitas, paalelas y con cagas iguales en magnitud y signo contaio. f i f 2E dl i f i σ ε 0 (y yf yi 2σ 2ε 0 dy )[] Como los puntos se encuentan sobe las supeficies cagadas, que se encuentan sepaadas una distancia d, como se ilusta en la figua, la difeencia de potencias se puede expesa en función del campo. E d[ ] f i i y f σ ε 0 y yf yi

31 Potencial eléctico debido a una caga puntual Si se selecciona un punto de efeencia (que en la mayoía de los casos es el infinito o tiea) se puede habla del potencial en un punto k Q

32 Potencial eléctico debido a dos cagas puntuales de difeente signo e: Física paa ciencias e ingenieía. Tomo II. Quinta edición. Seway- Beichne.. Edit. Mac. Gaw Hill.

33 Potencial eléctico en un punto debido a dos cagas de difeente signo

34 Campo eléctico de uptua E R d m Paa el aie el campo eléctico de uptua vale 0.8 [M/m]

35 Gadiente de potencial En la mayoía de los poblemas pácticos no es posible obtene la función que detemina el vecto campo eléctico en cada punto de una egión, con base en la distibución de caga, debido a que está última no es conocida.

36 Gadiente de potencial Genealmente la infomación que se tiene es la difeencia de potencial, po ello el pocedimiento usual es obtene pimeo la función de potencial y a pati de ésta el campo eléctico.

37 Gadiente de potencial Si se considea la función potencial ( x, y, z ) La vaiación de la función es: d x dx + y dy + z dz ( ) dl

38 Gadiente de potencial Ya que la divegencia de una función es Recodando que si A y B son dos puntos muy cecanos x x + y y AB + z z E A B E dl d l

39 Gadiente de potencial Compaando las ecuaciones E Es deci E x ; Ey ; x y E z z

40 Gadiente de potencial Al evalua el gadiente de la función potencial eléctico, obtenemos un vecto pependicula a la supeficie, el cual señala en la diección de aumento máximo de la función de potencial; es po ello que apaece un signo negativo en la ecuación anteio ya que, po convención, la diección del vecto campo eléctico es contaia.

41 Gadiente de potencial En la siguiente figua se muesta una caja de aena con dos placas metálicas en sus extemos a las cuales se le aplica una difeencia de potencial de 50 []. Se define el sistema catesiano con el eje de las y s a la deecha, el eje de las x s saliendo fuea de la hoja y el eje de las z s hacia aiba.

42 Gadiente de potencial

43 Gadiente de potencial Se obseva que la diección en donde la vaiación es mayo es en el eje y el cual es pependicula a las placas y el valo aumenta confome nos acecamos a la teminal positiva. En cuanto los ejes x y z no hay vaiación del potencial al desplazase sobe dichos ejes ya que se tata de supeficies equipotenciales.

44 Gadiente de potencial La opeación matemática que nos pemita calcula el vecto pependicula a una supeficie equipotencial es el gadiente, en nuesto caso, el gadiente de potencial E x La pendiente epesenta la vaiación de potencial con especto a la distancia y po lo tanto el campo eléctico ˆj

45 Bibliogafía. Gabiel A. Jaamillo Moales, Alfonso A. Alvaado Castellanos. Electicidad y magnetismo. Ed. Tillas. México 2003 Seas, Zemansky, Young, Feedman Física Univesitaia Ed. PEARSON. México 2005