el flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta...

79

Upload: ynez-nieblas

Post on 11-Jan-2015

25 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0
Page 2: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0

0

( )

E E

F qE f E

Page 3: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

( )

0 0( )

1´ ´S V

E

S V V

QE dS r dV

El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε0

Page 4: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0
Page 5: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•Aislantes•Conductores•Semiconductores•Superconductores

Page 6: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•Son aquellos materiales o sustancias en las cuales

“no” fluye la corriente eléctrica

•Los electrones no se pueden mover libremente

•La resistividad es mayor a 108 Ohm-m

•Algunos alcanzan resistividades hasta 1016 Ohm-m

•La teoría del estado sólido (la teoría de bandas)

explica su comportamiento

•Vidrio, porcelana, plásticos

Page 7: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•Son “perfectos” conductores de la corriente electrica

•Tiene un “infinito” de cargas libres

•En realidad tiene muchos electrones libres

•La teoría del estado sólido (la teoría de bandas) explica su comportamiento

•Las resistividades pueden ser tan bajas como 10-8 Ohm-m

•Casi todos los metales son buenos conductores

Page 8: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•Entre los aislantes y los conductores en lo que a

resistividad se refiere

•Son aislantes a bajas temperaturas

•Son buenos conductores a temperatura ambiente

•La teoría del estado sólido (la teoría de bandas)

explica su comportamiento

Page 9: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•A muy bajas temperaturas prácticamente

tiene resistividad cero

•Expulsan el campo magnético

•Es un efecto completamente cuántico

Page 10: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0
Page 11: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

El campo eléctrico dentro de un conductor es siempre cero

0E

Page 12: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

El campo eléctrico dentro de un conductor es siempre cero

Sino las cargas eléctricas (que en un

conductor perfecto consideramos

que hay una cantidad infinita) se

seguirán moviendo hasta que lo

hagan cero

Page 13: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

No existe carga libre dentro de un conductor

0

Page 14: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

No existe carga libre dentro de un conductor

Aplicando la ley de Gauss a la superficie roja (una que este justo debajo de la superficie del conductor, tenemos

( )

0

S V

E dS

Ya que el campo eléctrico dentro del conductor es estrictamente cero.

Así que, por la ley de Gauss, la carga neta encerrada dentro de la superficie roja debe ser cero.

Por tanto, la carga neta dentro del conductor es cero

Page 15: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

En un conductor, toda la carga libre reside en la superficie

Page 16: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Un conductor es una equipotencial. Todo él, superficie y volumen

constante

Page 17: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

El campo eléctrico inmediatamente afuera del conductor siempre es perpendicular a su superficie y de magnitud

0

E

0

0 0E

S

AE

Q A

E

Page 18: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•El campo electrostático dentro de un conductor siempre es cero

•No existen cargas libres dentro de un conductor

•En un conductor toda la carga libre reside en la superficie

•Un conductor es una equipotencial. Todo su volumen y su superficie están al mismo potencial

•El campo eléctrico inmediatamente afuera del conductor siempre es perpendicular a su superficie y de magnitud σ/ε0

Page 19: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0
Page 20: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•Integración directa

•Solución de la ecuación de Laplace

•Método de imágenes

•Desarrollo del potencial en armónicos esféricos

•Solución mediante la función de Green

•Solución por inversión

Page 21: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

20

Conocida "podemos" hacer cualquiera

de estas integrales

1 ( )

4

r

r r rE r dV

r rr r

0

1 ( )

4

rr dV

r r

Page 22: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0

0E E

Page 23: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0

0

0

E E

E E

Page 24: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0

2

0

0

0

E E

E E

E

Page 25: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0

2

0

2

0

0

0

E E

E E

E

La ecuación de Poisson:

Page 26: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

0

0,

2 0

r

Si estamos en una región donde

tenemos la ecuación

de Laplace:

Page 27: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2 2 22

2 2 2

22 2

2 2 2 2 2

22

2

0

1 1 1sin 0

sin sin

1 1

2 0

En coordenadas cartesianas:

En coordenadas esféricas:

En coordenadas cilíndricas:

x y z

rr r r r r

rr r r r

2

2 20

z

Page 28: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

1 q

2 q

3 q

iq

Nq

1 2

3j

M

2 0

Page 29: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

•Sobre los conductores el potencial es constante e

igual al de la superficie

•En los conductores NO SE CONOCE la distribución

de carga

•Sobre las cargas

•En todo el resto del espacio

2

0

ii

qr r r

2 0r

Page 30: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Es decir, lo que hay que resolver es la

ecuación de Laplace

con las condiciones a la frontera ade-

cuadas. Por ejemplo,

sobre el conductor

2 0

ii

Page 31: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

-Linealidad: Cualquier combinación lineal de soluciones

es una solución.

-Unicidad: Si una función satisface la ecuación de Laplace

y las condiciones de frontera, entonces es única.

- Las soluciones de la ecuación de Laplace no tienen

extremos locales; es decir, no tiene ni máximos ni

mínimos más que en las fronteras.

Page 32: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Fijas las condiciones a la frontera, la solución

a la ecuación de Laplace

Así que si tenemos las solución a un problema

podemos adecuar otros

es única

problemas a sa

.

e

2 0

solu-

ción.

Page 33: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

2 2 22

2 2 2

0

0x y z

x

La ecuación de Laplace se escribe

en coordenadas cartesianas como

Así que si por simetría el problema sólo depende

de una variable, que escogeremos como , la

ecuación de L

2

20

d x

dx

aplace queda como

Page 34: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

20 se reduce a 0

d xr

dx

La solución es

donde y son constantes que se eligen

para satisfacer las condiciones de frontera

x ax b

a b

Page 35: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0

es la solución para un plano infinito

ˆ ˆ

por tanto 2

x ax b

dE x x i ax b ai

dx

a

Page 36: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22 2

2 2 2 2 2

1 1 1sin 0

sin sinr

r r r r r

r

La ecuación de Laplace en coordenadas esféricas es

que en el caso de problemas con simetría esférica

depende únicamente de la variable y

22

10

d rdr

r dr dr

se reduce a una

sola dimensión

Page 37: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

10

d rdr

r dr dr

La ecuación de Laplace para problemas con

simetría esféricas es

Una ecuación diferencial ordinaria de segundo

orden.

Page 38: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

es la solución para todos los problemas

con simetría esférica.

Nota: Es la ecuación de Laplace,

entonces fuera de las distribuciones

de carga

ax b

r

Page 39: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Fijadas las condiciones a la frontera, la solución

a la ecuación de Laplace

es única.

Así que si tenemos las solución a un problema

podemos adecuar otros problemas a e

2 0

sa solu-

ción.

Page 40: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22 2 22

2 2 2 2

Sea

, ,

donde y son constantes

Es obvio que

0

x y z ax b

a b

d ax b

x y z dx

Page 41: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2

Sea , , donde y son constantes

0

Además,

, ,

implica

constante

(planos paralelos al plano )

x y z ax b a b

d ax b

dx

x y z c

x

YZ

Page 42: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Sea , , donde y son constantesx y z ax b a b

Las equipotenciales son planos paralelos al plano YZ

Page 43: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

0x x l

1 2

Dos placas conductoras infinitas a potenciales fijos separadas una distancia l

Page 44: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Dos placas conductoras infinitas a potenciales fijos separadas una distancia l

1 1

2 2

2 11

( , , )

0, ,

, ,

( , , )

x y z ax b

x y z b

x l y z al b

x y z xl

Page 45: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0
Page 46: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2 2 2

2 2 20

x y z

, ,x y z X x Y y Z z

2 2 2

2 2 20

d X x d Y y d Z zY y Z z X x Z x X x Y y

dx dy dz

2 2 2

2 2 2

1 1 10

d X x d Y y d Z z

X x dx Y y dy Z z dz

Page 47: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2

22

2

22

2

1

1

1

d X x

X x dx

d Y y

Y y dy

d Z z

Z z dz

2 2 2 0

Page 48: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, , i x i x i y i y z zx y z Ae Be Ce De Ee Fe

2 2 2

2 2 20

x y z

Las constantes , ,

y los coeficientes , , , , ,

se determinan dependiendo de las

condiciones a la frontera

A B C D E F

Page 49: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Caja rectangular

a

b

c

,V x y

0 0

Sobre todas las caras,

excepto la de arriba el

potencial es cero

Page 50: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, ,

0 0

0, , 0

, ,

, , 2 sin

i x i x i y i y z z

i y i y z z

i x i x i y i y z z

i y

x y z Ae Be Ce De Ee Fe

x

y z A B Ce De Ee Fe

B A

x y z A e e Ce De Ee Fe

x y z A i x Ce De

i y z zEe Fe

Page 51: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, , 2 sin

0 0

, , 2 sin 0

, , 4 sin sin

i y i y z z

z z

z z

x y z iA x Ce De Ee Fe

y

x y z iA x C D Ee Fe

D C

x y z AC x y Ee Fe

Page 52: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, , 4 sin sin

0 0

, ,0 4 sin sin 0

, , 4 sin sin

z z

z z

x y z AC x y Ee Fe

z

x y AC x y E F

F E

x y z ACE x y e e

Page 53: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, , 4 sin sin

0

, , 4 sin sin 0

donde es un entero

, , 4 sin sin

z z

z z

z z

x y z ACE x y e e

x a

x a y z ACE a y e e

a n n

n

an

x y z ACE x y e ea

Page 54: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, , 4 sin sin

0

, , 4 sin sin 0

donde es un entero

, , 4 sin sin

z z

z z

z z

nx y z ACE x y e e

a

y b

nx y b z ACE x b e e

a

b m m

m

bn m

x y z ACE x y e ea b

Page 55: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2 2 2

2 2 2 22 2

2 2

, , 4 sin sin z zn mx y z ACE x y e e

a b

n m n m

a b a b

Page 56: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, , 4 sin sin z zn mx y z ACE x y e e

a b

Page 57: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Caja rectangular

0 0, 0, 0x y z

2 2

sin

sin

sinh

X x

Y y

Z z

Page 58: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Caja rectangular0 , x a y b

2 2

2 2

n

m

mn

n

am

b

n m

a b

Page 59: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

sin sin sinhnm n m nmx y z

Caja rectangular

, 1

, , sin sin sinhnm n m nmn m

x y z A x y z

Page 60: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Caja rectangular

, 1

sin sin sinh ,nm n m nmn m

A x y c V x y

,z c V x y

0 0

4, sin sin

sinh

a b

nm n mnm

A dx dyV x y x yab c

Page 61: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Caja rectangular

0 0

4, sin sin

sinh

a b

nm n mnm

A dx dyV x y x yab c

, 1

, , sin sin sinhnm n m nmn m

x y z A x y z

2 2

2 2 n m mn

n m n m

a b a b

Page 62: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0
Page 63: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

, ,r R r

22 2

2 2 2 2 2

1 1 1sin 0

sin sinr

r r r r r

La ecuación de Laplace en coordenadas esféricas es

22

2 2 2 2 2sin 0

sin sin

d dR R d R dr

r dr dr r d r d

Page 64: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2 2 2 2 2sin 0

sin sin

d dR R d R dr

r dr dr r d r d

22

2 2

1 1 1 1 1sin 0

sin sin

d dR d dr

R dr dr d d

2

2

2 2

11

1 1 1 1sin 1

sin sin

d dRr l l

R dr dr

d dl l

d d

Page 65: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

2 2

1 1 1 1sin 1

sin sin

d dl l

d d

2

2 2

1 1 1 1sin 1 0

sin sin

d dl l

d d

2

22

sin 1sin 1 sin 0

d dl l

d d

Page 66: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

22

sin 1sin 1 sin 0

d dl l

d d

2 2

22

2

sinsin 1 sin

1

dl l m

d

dm

d

Page 67: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2

1 dm

d

ime

2Q n Q

m

implica que

debe ser un entero

Page 68: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

2

1 1sin 1 0

sin sin

d d ml l

d d

2 2sinsin 1 sin

dl l m

d

Page 69: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2 2 2

2

cos

sin

sin sin 1 cos 1

sin sin sin 1

x

d d dx d

d dx d dxd d d d

xd dx dx dx

d d d d dx d dx

d d dx d d dx dx

Haciendo el cambio de variable

tenemos

2

2

1 1sin 1 0

sin sin

d d ml l

d d

Page 70: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

2

2 22

2 2

sin sin sin 1

1 1sin 1

sin

1 1sin 1

sin sin 1

d d d d dx d dx

d d dx d d dx dx

d d d dx

d d dx dx

d d m d d mx

d d dx dx x

Page 71: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2

22

2

11 1

1

1 1 01

d d mx l l

dx dx x

d d mx l l

dx dx x

La ecuación queda ahora

ó bien

Page 72: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

2

22

1 1 01

d dP mx l l P

dx dx x

La ecuación es la generalizada de Legendre

y sus soluciones se llaman funciones asociadas

de Legendre.

Estas son "funciones especiales" que han sido

extensamente estudiadas y que sus propiedades

pueden ser cincultadas.

* La solución se encuentra mediante series.

Page 73: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2

/ 22 2

1 1 01

11 1

2 !

m l mm lm

l l l m

d dP mx l l P

dx dx x

dP x x x

l dx

La ecuación es la generalizada de Legendre

Sus soluciones se llaman funciones asociadas

de Legendre

Page 74: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

!

, 2 1 cos!

m m iml l

l mY l P e

l m

La solución a la parte ángular queda

Page 75: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

211

d dRr l l

R dr dr

2 1 0d dR

r l l Rdr dr

2

22

2 1 0d R dR

r r l l Rdr dr

Page 76: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

22 1 0

1 2 1 0

1 2 1 0

1 2 1 0

nn

n n nn n n

nn

d R dRr r l l Rdr dr

a r

n n a r na r l l a r

n n n l l a r

n n n l l

Page 77: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22

2

2

22

1 2

1

2 1 0

1 0

1 1 4 1 1 2 11 4 4 1

2 2 21 2 1

21

nn

ll

d R dRr r l l Rdr dr

a r

n n l l

l l ll ln

ln

n l n l

BAr

r

Page 78: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

22 2

2 2 2 2 2

10

1 1 1sin 0

sin sin

, , ,l

l lmlm lml

l m l

rr r r r r

Br A r Y

r

Page 79: El flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total neta encerrada en la superficie entre ε 0

Problema 3 del capítulo 3 del libro de Murphy