física iii – tema 3 iii/teori… · 2. ecuaciones de maxwell en el vacío 0 e & t e b j...

12
Física III TEMA 9 1 Masoller FIII 1. Electrostática en el vacío (4 h). 2. Energía electrostática y capacidad (4 h). 3. Electrostática en medios materiales (4 h). 4. Electrocinética (3 h 30 m). 5. Magnetostática en el vacío (3 h 30 m). 6. Inducción magnética (3 h). 7. Magnetismo en medios materiales (3 h 30 m). 8. Circuitos de corriente alterna (3 h 30 m). 9. Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas (3 h). Cristina Masoller Departament de Física i Enginyeria Nuclear, ETSEIAT, UPC [email protected] www.fisica.edu.uy/~cris

Upload: others

Post on 12-Aug-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

Física III – TEMA 9

1 Masoller FIII

1. Electrostática en el vacío (4 h). 2. Energía electrostática y capacidad (4 h). 3. Electrostática en medios materiales (4 h). 4. Electrocinética (3 h 30 m). 5. Magnetostática en el vacío (3 h 30 m). 6. Inducción magnética (3 h). 7. Magnetismo en medios materiales (3 h 30 m). 8. Circuitos de corriente alterna (3 h 30 m). 9. Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas (3 h).

Cristina Masoller Departament de Física i Enginyeria Nuclear, ETSEIAT, UPC

[email protected] www.fisica.edu.uy/~cris

Page 2: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

Contenido – TEMA 9 Ecuaciones de Maxwell y ondas

electromagnéticas (3 h)

1. Corriente de desplazamiento

2. Ecuaciones de Maxwell

3. Flujo de potencia electromagnética: vector de Poynting

4. Ondas electromagnéticas

5. Ondas harmónicas transversales

Bibliografía: Tipler y Mosca, capítulo 30.

Page 3: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

1. Modificación de Maxwell a la Ley de Ampere: Corriente de desplazamiento

• Vimos que la Ley de Ampere es válida solo para corrientes estacionarias

TJB

0 00 TJB

• Según la ecuación de conservación de la carga: t

J TT

• Modificación de Maxwell (1831-1879):

Un campo eléctrico variable produce un campo magnético.

t

EJB T

000

Corriente de “desplazamiento”

• Si combinamos la ley de Ampere-Maxwell con la Ley de Gauss

t

EJB T

0000

0

TE

0

tJ T

T

Page 4: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío

0

E

t

EJB

000

0 B

t

BE

Ley de Gauss

Ley de Faraday

No hay monopolos magnéticos

Ley de Ampere-Maxwell

y J representan todas las cargas y corrientes (libres y ligadas).

De estas ecuaciones se puede deducir que:

a) La carga se conserva

b) La energía se conserva

c) Los campos son ondas que se propagan con la velocidad de la luz

Estas ecuaciones se pueden escribir en un medio material, en función de los campos D y H y incluyendo como “fuentes” de los campos solo las cargas y corrientes libres.

Page 5: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

Ecuaciones de Maxwell en un medio material

lD

t

BE

0 B

t

EJB

000 MHB

PED

0

0

t

PDJMH

)(000

t

D

t

PMJH

t

PMJJJJJ lPMl

t

DJH l

Corriente total = libre + corriente inducida por una magnetización + corriente inducida por una polarización variable en el tiempo.

Ley de Ampere-Maxwell en un medio material

Page 6: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

3. Flujo de potencia electromagnética: vector de Poynting

• Trabajo hecho por la fuerza electromagnética sobre una carga q que se mueve con velocidad v:

ldEqldBvEqldFdW

El campo magnético no realiza trabajo

• Trabajo realizado por unidad de tiempo sobre un conjunto de partículas:

dVJEvqEdt

ldEq

dt

dW

V

i

i

ii

i

i

Bt

EJ

0

0

1

t

EJB T

000

B

t

EEJE

0

0

1

BEBE

t

0

2

0

2

0

11

2

1...

Page 7: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

VV

dVBEBEt

dVJEdt

dW

0

2

0

2

0

11

2

1

V S

dAnBEdVBEdt

d

dt

dWˆ

11

2

1

0

2

0

2

0

2

0

2

0

1

2

1BEuem

Densidad de energía del campo electromagnético

V

cindVudt

d

dt

dW El trabajo realizado es igual a la variación de la energía cinética de las partículas

BES

0

1

Vector de Poyting: potencia por unidad de área transportada por los campos

V

emcin

S

dVuudt

ddAnS ˆ

Conservación de la energía total (cinética de las partículas + electromagnética de los campos)

VS

dVdt

ddAnJ ˆ

Conservación de la carga

Page 8: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

Ejemplo: cable que transporta una corriente

V1 V2

BES

0

1

l

VV

l

VE 21

r

IB

2

0

rl

VIS

2

Potencia por unidad de área

que entra al conductor.

IVal

IVaddxdAnSP

l

2

00

Igual a la potencia disipada en el conductor (calentamiento Joule: P = VI = RI2).

Page 9: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

4. Ondas electromagnéticas en el vacío

0 E

t

EB

000 B

t

BE

0 0J

t

EB

00 t

tBBB

/00

2

02

2

00

2

t

BB

t

BE

t

tEEE

/002

02

2

00

2

t

EE

Los campos E y B cumplen ecuaciones de onda. La velocidad de la onda es la velocidad de la luz.

m/s1031 8

00

v

Page 10: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

5. Ondas armónicas transversales. Ondas en una dimensión

2

2

22

2 1

t

f

vz

f

)()(),( vtzhvtzgtzf

Onda transversal: la velocidad es al plano de oscilación

)(

0

)(

00 Re)cos( tkzitkzi eEeEtkzEE

Onda armónica:

)(

0

tkzieBB

2

002

22

vk

Page 11: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

c

f

ck

2200

El espectro electromagnético

Page 12: Física III – TEMA 3 III/Teori… · 2. Ecuaciones de Maxwell en el vacío 0 E & t E B J & & & 0 0 0 B 0 & t B E & & Ley de Gauss Ley de Faraday No hay monopolos magnéticos Ley

Ondas transversales harmónicas en el espacio

)(

0

txkieEE

)(

0

txkieBB El vector k indica la dirección

de propagación de la onda

kEE

00 kBB

00

cEBBEk

BE

t

BE

/0000

00

kEc

SBES ˆ 11 2

0

00