(2) Por otro lado, la carga total disponible está fija, entonces,
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- Ricardo Méndez Cárdenas
- hace 6 años
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1 1. Un condensdor cilíndrico de rdio interior, rdio exterior b y crg constnte Q es introducido verticlmente en un líquido dieléctrico (linel) de permitividd ɛ. El líquido puede subir por el espcio entre los dos cilindros. Suponiendo que el líquido dieléctrico h subido un ltur h: () Determine los cmpos D y E en el interior del condensdor. (b) Determine l cpcidd equivlente del condensdor en es situción. (c) Si l densidd de ms del líquido es ρ 0, determine l ltur h en que se logr el equilibrio entre l fuerz dieléctric que ctú sobre el líquido, y l grvitción.
2 Solución: () Se z un coordend verticl prlel l cilindro con z 0 coincidiendo con l superficie del líquido. Llmemos l zon del condensdor que está sin dieléctrico (h < z < L), y l zon con dieléctrico (0 < z < h). Comencemos determinndo ls densiddes de crg que hy en el cilindro interior. Ests densiddes determinn el cmpo eléctrico en el interior del condensdor. Primero notemos que ls plcs son metálics y por lo tnto equipotenciles. Esto signific que el cmpo eléctrico en debe ser igul l cmpo en. De lo contrrio y no estrín l mismo potencil. Se σ y σ ls densiddes de crg (libre) en el cilindro interior. El cmpo eléctrico en cd un de ls zons es rdil y con mgnitud E σ ɛ 0 r, E σ ɛr, (1) (El cmpo E se clcul usndo l Ley de Guss en el vcío. El cmpo E se clcul usndo l Ley de Guss en dieléctricos y relcionndo D ɛe.) Pr que E y E sen igules se debe stisfcer, σ ɛ 0 σ ɛ (2) Por otro ldo, l crg totl disponible está fij, entonces, 2π(L h)σ + 2πhσ Q 2πLσ 0. (3) Aquí hemos introducido σ 0, l densidd de crg como si Q estuvier distribuid homogénemente por todo el cilindro. Ls ecuciones (2) y (3) permiten despejr σ y σ, σ σ 0 ɛ 0 L h(ɛ ɛ 0 ) + ɛ 0 L, σ σ 0 ɛl h(ɛ ɛ 0 ) + ɛ 0 L, (4) Reemplzndo estos vlores en (1) determinmos los cmpos eléctricos en mbs zons (que son igules). El cmpo de desplzmiento se obtiene fácilmente pr cd zon, D ɛ 0 E σ r, D ɛe σ r (b) Cundo el líquido h subido un ltur h podemos interpretr está situción como dos condensdores en prlelo cuys cpciddes se sumn. Ls cpciddes solo dependen de l geometrí del sistem, y no de ls distribuciones de crg. En l zon l cpcidd es conocid C 2π(L h)ɛ 0 ln(b/) donde L es l ltur totl del cilindro (desde l superficie del líquido). Pr l zon l cpcidd será C 2πhɛ ln(b/). L cpcidd del condensdor compuesto (prlelo) entonces es: C(h) y dependen explícitmente de l ltur h. 2π ln(b/) (ɛ 0L + h(ɛ ɛ 0 ))
3 (c) L energí lmcend (con crg totl Q constnte) es: U 1 2 C(h) donde l cpcidd C(h) fue clculd ntes. L fuerz dielétric que ctú sobre el líquido es du dh 1 dc(h) 2 C(h) 2 1 2π dh 2 C(h) 2 ln(b/) (ɛ ɛ 0) El líquido logr el equilibrio cundo est fuerz es igul y opuest l fuerz grvitcionl (quí M es l ms del líquido que h subido) L ecución que determin el vlor h entonces es: Mg π(b 2 2 )hρg 1 2π 2 C(h) 2 ln(b/) (ɛ ɛ 0) π(b 2 2 )hρg Est es un ecución cúbic pr h, cuy solución es conocid pero muy extens pr escribir quí.
4 2. Considere dos cilindros coxiles conductores de longitud L mucho myor que los rdios de los cilindros; el interior de rdio y el exterior de rdio c (ver figur). En el espcio < r < b está lleno con un mteril dieléctrico de permitividd ɛ 1 ɛ r1 ɛ 0 y conductividd σ 1. De l mism form, el espcio b < r < c está lleno con otro mteril dieléctrico de permitividd ɛ 2 ɛ r2 ɛ 0 y conductividd σ 2. Entre mbos cilindros coxiles se estblece un diferenci de potencil V 0. Clcule ) l resistenci entre los electrodos. b) l densidd de crg eléctric cumuld en l interfce entre los dos mteriles dieléctricos (superficie rdio b en l figur). c) Supong hor que ls conductividdes σ 1 y σ 2 son cero. Determine l cpcitnci totl del sistem. Solución prte ) (Ver un solución lterntiv ms bjo.) Como se observ de l figur, el coxil interior, de rdio, est un myor potencil que el coxil exterior, de rdio c. Por consiguiente, los vectores cmpo eléctrico E, desplzmiento D, y densidd de corriente J se pueden sumir en el sentido positivo de l coordend rdil r, i.e. Ei E iˆr, D i D iˆr y J i J iˆr, con i { 1, < r < b 2, b < r < c. (5) L ley de Ohm pr ls diferentes regiones es: J i σ iei, (6) y l corriente eléctric est definid por l expresión J i da J i A J i 2πrL. (7)
5 En l Ec. (7) A Aˆr, donde A es l sección trnsversl pr un vlor ddo de r. De ls Ecs. (6) y (7) obtenemos E i L diferenci de potencil entre los coxiles interior y exterior es: 2πrLσ i. (8) V () V (c) V 0 2πL E d r b ( log(b/) σ 1 E 1 d r + b + log(c/b) σ 2 E 2 d r (9) ), (10) por consiguiente, R V 0 1 ( log(b/) + log(c/b) ). (11) 2πL σ 1 σ 2 Solución ltentiv pr prte (). L resistenci pr un objeto de lrgo L, sección A y conductividd σ es R L σa. Un cilindro de lrgo L, rdio interior r 1 y rdio exterior r 2 puede seprrse en cáscrs de ncho dr. L resistenci de cd elemento es: y por lo tnto l resistenci totl es R rr2 dr dr σ 2π rl rr 1 dr 1 2πσL ln(r 2/r 1 ) donde r 2 y r 1 son los rdios exterior e interior, respectivmente. Apliquemos est fórmul mbos objectos de conductividdes σ 1 y σ 2. Se obtiene, l resistenci totl entonces es: R 1 1 2πσ 1 L ln(b/), R 2 1 2πσ 2 L ln(c/b), R 1 ( ln(b/) + ln(c/b) ) 2πL σ 1 σ 2 que coincide con el vlor clculdo por el otro método. Solución prte b) Usndo l Ley de Guss pr un pequeñ cj que encierre l interfse podemos clculr l densidd de crg libre σ Q, dd por l expresión σ Q D 2 D1 ε 2 E 2 ε 1 E 1 (12) ε 2 ε 1. (13) 2πbLσ 2 2πbLσ 1
6 De l Ec. (11) observmos que V 0 /R, por tnto Solución prte c) σ Q ε 2 V 0 2RπbLσ 2 ε 1 V 0 2RπbLσ 1 (14) V ε 0 2 ( 1 log(b/) 2πL σ 1 ( V0 b 2πbLσ 2 ε 1 V 0 ) 2πbLσ 1 + log(c/b) σ 2 ) (15) ε 2 σ 1 ε 1 σ 2 log(b/)σ 2 + log(c/b)σ 1 (16) Se estim el cmpo eléctrico en l región entre los dos coxiles usndo l ley de Guss: D da SG Q, (17) SG donde Q es l crg en el coxil interior y A SG es un superficie gussin encerrndo este coxil. De l Ec. (17) se obtiene Ahor se clcul l diferenci de potencil entre los dos coxiles ε i E i 2πrL Q. (18) V () V (c) V 0 E d r b E 1 d r + b E 2 d r (19) Q ε 1 2πL log(b/) + Q log(c/b) (20) ε 2 2πL Finlmente se obtiene C πl V 1 0 ε 1 log(b/) + 1 ε 2 log(c/b). (21)
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