FISICA 3. Electricidad. 1er cuatrimestre de 2012 J. Miraglia (Dated: July 13, 2012) Abstract LEY DE COULOMB. Distribuciones de carga.Campo electrico. Potencial electrico. La fuerza electrica es conservativa. Ley de Gauss. Ecuaciones de Poisson y Laplace. Lineas de campo. EXPANSION MULTIPOLAR Monopolo, dipolo y cuadrupolo. Dipolo en un campo electrico. Interaccion carga-dipolo. Interaccion dipolo-dipolo. Dipolo inducido. Interaccion dipolo-inducido dipolo-inducido. Lennard Jones. ENERGIA ELECTROSTATICA De un sistema de cargas puntuales. De una distribucion continua. Autoenergia. CONDUCTORES IDEALES. CAPACITORES Propiedades. Metodo de las imagenes. Sistema de conductores. Capacitores de placas paralela. Energia acumulada dentro de un capacitor de placas paralelas. DIELECTRICOS Propiedades. Modelo Simple. Electrostatica macroscopica. Medios lineales isotropos y homogenios (LIH). Efecto de bordes. Energia electrostatica en presencia de dielectricos. Sobre la ley de Coulomb en medios LIH. Ecuaciones de Poisson y Laplace en medios dielectricos LIH. Condicion de contorno de dos medios dielectricos. Clausisus Mosotti. MATERIALES OHMICOS Y CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA Ley de Ohm microscopica. Modelo de Drude. Corriente electrica. Velocidad de desplazamiento. Ley de Ohm macroscopica. Circulacion del campo electrico. Fuerza electromotriz. Leyes de Kirchhoff. Materiales Electricos. (falta, incluir figuras y tablas, corregir, poner acentos) PACS numbers: 1 I. LEY DE COULOMB (1785) Se encuentra experimentalmente (por eso es una ley) que la fuerza con que se atraen (o repelen) dos cargas puntuales en reposo (electrostatica) es inversamente proporcional al → cuadrado de la distancia. La fuerza que sufre la particula ”1” (q en − r ) debido a la ”2 1 1 → ” (q2 en − r 2 ) esta dado por − → → − → r 1−− r2 F 12 = ke q1 q2 − Ley de Coulomb, 3 → − → | r 1 − r 2| Nm2 1 ke = 8.988 × 109 2 = constante electrica, C 4πε0 C2 ε0 = 8.85 × 10−12 = permitividad electrica del vacio, N m2 [q] = Coulomb=6.2 × 1018 e / e=carga del electron, (1) (2) (3) (4) con lo que introducimos una nueva unidad: el Coulomb (MKS→ MKSC). En consecuencia → → r ) esta dado por la fuerza que sufre la particula ”2” debido a la ”1 ” (− r ←→ − 1 → − → − → r1 r 2−− F 21 = ke q2 q1 − 3. → − → | r 2 − r 1| 2 (5) Se desprende que: − → − → • F 21 = − F 12 , por lo que se satisface el ppio. de accion y reaccion. • Si Signo(q1 q2 )=+1, las particulas se repelen. • Si Signo(q1 q2 )=-1, las particulas se atraen. • Comparando con la gravitacion − → → 2 − → r 2−− r1 −11 Nm F 21 = Gm1 m2 − , G = 6.7 × 10 , (6) 3 → Kg 2 |→ r 2−− r 1| G es entonces 20 ordenes de magnitud mas grande que ke. Mas aun; si comparamos la interaccion electrica con la gravitatoria en un sistema electron-proton; la electrica resulta ser 39 ordenes de magnitud mayor! Ppio. de conservacion de la carga electrica. En un sistema aislado la carga total se conserva (importante para la ecuacion de continuidad por venir): qtot = i qi =constante (suma algebraica). − → → Ppio de superposicion. La fuerza F 0 que se ejerce sobre una particula (q0 en − r 0) → un sistema de particulas (qi en − r i ) esta dado por (suma vectorial): 2 → − → − − → → ri r 0−− F0= F 0i = ke q0 qi − 3 . → − → | r − r | 0 i i i A. (7) Distribuciones de carga Para determinar la fuerza que ejerce culaquier cuerpo continuo sobre una carga puntual → → (q0 en − r 0 ) nos conviene en dividir el cuerpo en pequeños diferenciales centrados en − r i con carga dqi y usar el ppio de superposicion: − → → − → ri r 0−− F0= ke q0 (dqi ) − 3 . → − → | r − r | 0 i i (8) Pasando al calculo diferencial, podemos expecificar si el cuerpo es → • volumetrico, dq = ρd− r , con ρ densidad volumetrica de carga [ρ] = C/m3 , i • superficial, dqi = σda, con σ densidad superficial de carga [σ] = C/m2 , • lineal, dqi = λdl, con λ densidad lineal de carga [λ] = C/m. → En el limite la suma se transfiorma en una integral, i → d− r ′ (variable continua) por lo que − → ′ ′ d r ρ(r ) − → → − → r′ r 0−− ′ ′ F 0 = ke q0 da σ(a ) 3 , → → |− r 0−− r ′| dl′ λ(l′ ) (9) dq ′ → donde hemos considerado una posible variacion espacial (− r ′ , a′ ó l′ ) de la densidad de carga. Si estamos interesados en calcular la interaccion entre cuerpos continuos, hacemos lo mismo: dividimos los dos cuerpos en pequeños diferenciales, usamos el ppio de superposicion y pasamos a la integral. Para el caso de dos volumenes tendremos que sobre el cuerpo ”1 ” (con ρ1 ) le ejerce el ”2” (con ρ2 ), esta dado por (como en gravitacion) − → F 12 = ke − → → r 1−− r2 → → → → d− r 1 ρ1 (− r 1) − ρ (− r 2 )d− r2. → − → | r 1 − r 2 |3 2 dq1 (10) dq2 Retrocedindo, si en lugar de cuerpos continuos tuvieramos una particula puntual ”a ” (qa en − → → → → r a ) y otra ”b ” (qb en − r b ), las distribuciones pueden escribirse como ρ1 (− r 1 ) = qa δ(− r1− 3 − → → → → r a ) y ρ2 (− r 2 ) = qb δ(− r 2−− r b ) y usando la propiedad de la delta, obtenemos nuevamente la Ley de Coulomb original (1). B. Campo electrico → → Vimos que la fuerza que sufre la particula (q en − r ) debido a la ”1” (q1 en − r 1 ) esta dado por − → → − → r −− r1 F = ke qq1 − 3 . → − → | r − r 1| − →→ Definimos el campo electrico E (− r) − → − → → − →− F r −− r1 → E ( r ) = lim = ke q1 − 3 , → − → q→0 q | r − r 1| (11) (12) − → − → − → E es un vector y sus unidades son [E]=N/C. Luego podemos escribir que F = q E en forma − → → → similar al caso gravitatorio: F = m− g , donde − g es el campo gravitatorio. Si en lugar de → r 1 ), tuviesemos una distribucion continua, debemos proceder una particula puntual (q1 en − como en el caso anterior. Esto es: dividir el cuerpo en pequeños diferenciales centrados en − → r i con carga dqi y usar el ppio de superposicion y llegamos a − →− E (→ r ) = ke − → → r −− r′ → d− r ′ ρ(r′ ) − 3 = campo electrico. → |→ r −− r ′| Si las distribuciones son superficiales o lineales podemos hacer como siempre − →′ ′ d r ρ(r ), si dist. volumetrica , dq ′ ⇐⇒ da′ σ(a′ ), si dist. superficial , dl′ λ(l′ ), si dist. lineal . (13) (14) El limite en (12) conlleva un concepto fisico: la carga tiene que ser lo suficentemente pequena − → para no distorsionar las distribuciones que ocacionan el campo E . Por esa razon a q se la llama carga de prueba (test charge). C. Potencial electrico Usando la propiedad del Apendice, resulta que (12) 4 1 − → ′ ′ − d r ρ(r ) −∇→ , r → → |− r −− r ′| − → − V ( r ), = −∇→ r 1 → → V (− r ) = ke d− r ′ ρ(r′ ) − = potencial electrico , → → |r −− r ′| − → E = ke (15) (16) (17) → V (− r ) es el potencial electrico, es un escalar y sus unidades son [V ] = Voltios. Con lo cual podemos redefinir las unidades del campo como [E]=N/C=V/m. Vale la siguiente relacion − → − → − → − → − → − → − → − → − − − F = q E = −q ∇ → r V ( r ) = −∇→ r qV ( r ) = − ∇ → r U( r ) , → U (− r ) = energia potencial electrica, / [U] = Joule , (18) (19) Otra forma de definir el potencial (que sera importante cuando veamos la bateria) V = U/q, o sea energia (trabajo) por unidad de carga. Como simpre, si las ditribuciones de cargas son superficiales o lineales vale la sustitucion (14) en (17) D. La fuerza electrica es conservativa − → − → − → − → − → − → − → − → − − − − Si E = − ∇ → r V ( r ), entonces ∇ → r × E = ∇→ r × [− ∇ → r V ( r )] = 0 (ver Appendice). Si − → − → − el ∇ → r × E = 0, usando el teorema de Stokes 0= S Si − → − → → − d− a ∇→ r × E = → − → − 1 E ·d l =0= q C C → − → − F ·d l = 0 . (20) − → → − F · d l = 0 , implica que el trabajo a lo largo de una curva cerrada es nulo, que es la C definicion basica de una fuerza conservativa. Nos ahorramos asi la introduccion pedestre de realizar un trabajo cuasiestacionario como se hacen en los cursos basicos. E. Ley de Gauss − → Se define dφE = E · n da = differencial de flujo electrico, φE = S dφE = S − → E ·n da = 5 flujo electrico , (21) − → → → (analogia con los fluidos E → − v = velocidad local del fluido, por lo que dφv = − v · − → a =m3 /seg =caudal). Usando la Ley de Coulomb se demuestra que ε0 S − → E ·n da = qenc = V → → d− r ′ ρ(− r ′) Ley de Gauss , (22) ( S significa superficie que encierra a V). Usando el teorema de la divergencia V → → d− r ′ ρ(− r ′ ) = ε0 S − → E ·n da = ε0 V − → − → → d− r∇·E , (23) − → − → → con lo que ∇ · E = ρ(− r )/ε0 . Las ecuaciones fundamentales del campo electricoestatico son entonces → − − → − → ∇ · E = ρ(ε0r ) − → − → ∇×E =0 F. Ecuacion de la divergencia Ecuacion del rotor (24) Ecuaciones de Poisson y Laplace − → − → → Combinando la ecuacion de la divergencia ∇ · E = ρ(− r )/ε0 con la del rotor que deduce − → − que E = −∇→ r V, llegamos a ∇2 V = − ρ/ε0 , Ecuacion de Poisson . (25) → (para simplificar, de aqui en mas omitiremos (− r ) cuando sea posible: se entiende que 2 ∇ = ∇→ − r ). En los lugares donde no hay carga presente ρ = 0, la ecuacion se reduce a ∇2 V = 0 , Ecuacion de Laplace . (26) Que debe resolverse con condiciones de contorno sobre una superficie cerrada y la solucion es unica. Si en dicha superficie se impone V , las condiciones se denominan condiciones de Dirichlet. Si se determina ∂V/∂n ( n la direccion normal a la superficie, esencialmente el campo electrico) se denominan condiciones de Neuman y tambien la solucion es unica. Las condiciones no pueden ser redundantes. 6 G. Lineas de campo Es una curva imaginaria que se dibuja de tal manera que su direccion en cualquier punto coincida con la direccion del campo electrico. Se encuentra que: • Las lineas de campo NO se cruzan. • Nacen en las cargas positivas (fuentes) y mueren en las negativas (sumideros). [Analogia con los fluidos: canillas y rejillas]. • El campo es mas intenso donde se juntan las lineas de campo [velocidad del fluido mayor cuanado se extrangula una manguera]. • La lineas equipotenciales (igual valor de V ) son perpendiculares a las lineas de campo, ∂V ∂V ∂V − → − → V ( r ) = V ( r 0 ) + (x − x0 ) + (y − y0 ) + (z − z0 ) + ..., ∂x → ∂y → ∂z → − − − r0 r0 r0 − → − → → → → → = V (− r ) + δ− r · ∇V = V (− r ) − δ− r ·E , 0 0 (27) − → − → → → → → si δ − r es perpendicular a E entonces δ − r · E = 0 y V (− r 0 ) = V (− r ) (equipotencial). II. EXPANSION MULTIPOLAR Usando las expansiones del Appendice para grandes distancias se muestra que, cualquier distribucion de carga a grandes distancia (r → ∞) su potencial se comporta como − → → − → → r .Q.− 1 q p ·− r r − → + +O 4 , V ( r ) ⇁ ke + ke 3 5 r→∞ r r 2r r (28) donde r es mucho mayor que las dimensiones del cuerpo en cuestion, y q = − → p = Qi,j = → → d− r ′ ρ(− r ′) monopolo , (29) → → → d− r ′ ρ(− r ′) − r′ dipolo , (30) → → d− r ′ ρ(− r ′ )[3x′i x′j − r2 δ ij ] 7 cuadrupolo . (31) A. Dipolo El caso mas elemental se ilustra como dos cargas de igual magnitud pero de signos − → opuestos colocadas en ± d /2, − → − → → → → ρ(− r ) = +qδ(− r − d /2) − qδ(− r + d /2), − → − → − → p = qd / d va de ⊖ → ⊕ . entonces , (32) (33) Usando el algebra del Apendice, el campo electrico resulta − → → − → − → p ·− r ke → = E = − ∇ ke [3 (− p · r) · r − p] . r3 r3 Usaremos mucho esta expresion. B. (34) Dipolo en un campo electrico El dipolo permanente debe considerarse como un rigido. En un campo electrico constante − → − → (digamos ∇Ex,y,z = 0) la resultante de las fuerzas F es nula por lo que su centro de masa → permanece en reposo, pero sufre un torque − τ . Probamos que − → − → − → F = (+q) E + (−q) E = 0 centro de masa en equilibrio , − → − → − → − → − → − → → τ = (+q) E × ( l /2) + (−q) E × (− l /2) = − p × E torque , θ θ − → − → − → → U = dU = τ · d θ = −− p ·E Energia potencial . 0 (35) (36) (37) 0 − → Si el el campo electrico es variable en la posicion del dipolo (digamos ∇Ex,y,z = 0), entonces sufre una fuerza resultante que resulta ser − → − → − →→ − → − →− → − → − →→ → F = − ∇U = ∇(− p · E ) = (− p · ∇) E + ( E · ∇)− p − → − → − → − → → → +− p × (∇ × E) + E × ( ∇ × − p), 0 0 − − → − → → → F = − p ·∇ E , ∂ ∂ ∂ = px + py + pz (Ex, Ey , Ez ) . ∂x ∂y ∂z 8 0 (38) (39) (40) C. Interaccion carga dipolo → Apliquemos (39) para un dipolo − p en un campo electrico central creado por una carga q en el origen − → → − → 2ke q(− − → − → r p · r) − → F = − ∇U = p · ∇ ke q − r 3 = − 3 → r |r| Notar que (41) − → → • Si q > 0 y − p · r > 0, entonces F · r < 0, o sea atractivo. − → → • Si q < 0 y − p · r > 0, entonces F · r > 0, o sea repulsivo. Lo cual era logico. D. Interaccion entre dos dipolos − → → El campo E 1 creado por dipolo − p 1 en el origen esta dado por (34), si colocamos en ese → campo un dipolo − p la energia de interaccion estara dado por 2 − → ke → → → p 2 · E 1 = −− p 2 3 [3 (− p 1 · r) · r − p1 ] , (42) U2 = −− r ke → → = 3 [ p1 · p2 − 3 (− p 1 · r) · (− p 2 · r)] , (43) r − → → y obviamente resulta que U2 = U1 = −− p 1 · E 2 = U. Hay que aclarar que los dipolos estan fijos y no les permitimos rotar (electrostatica). Si estamos interesados en la fuerza que sobre → → el dipolo − p ejerce el dipolo − p , se obtiene 2 1 − → − → ke F 21 = − ∇U2 = 4 [3( p1 · p2 ) r − 15( p1 · r)( p2 · r) + 3( p2 · r) p1 + 3( p1 · r) p3 ] . r (44) Tres casos son interesantes: − → • p1 = p2 = r, entonces F 21 = −6ke ( p1 · p2 ) r/r4 , resulta atractivo , • p1 = p2 y p1 · r= p2 · r = 0, resulta U = ke p1 p2 /r3 , • p1 = − p2 y p1 · r= p2 · r = 0, resulta U = −ke p1 p2 /r3 , estable. E. Dipolo inducido Hasta ahora hemos visto la interaccion con dipolos permanentes, tales como moleculas de NaCl ó H2 O. Pero tambien un atomo neutro (sin momento dipolar permanente) en presencia 9 de un campo electrico puede distorsionarse al punto de que se induce un dipolo. A estos dipolos se los llaman dipolos inducidos. El calculo del dipolo a nivel atomico se obtiene con la mecanica cuantica. De cualquier manera podemos hacer un modelito unidimensional simple para entenderlo. Supongamos un electron de carga (negativa) e ligado a su nucleo (positivo) − → con un ”resorte” de constante k. En presencia de E el electron sufre un desplazamiento -eE = kd, y genera dipolo µ = −ed, entonces podemos escribir − → e2 − → − → µ = −e d = E . k (45) Su energia resulta ser en general (Debye, Keeson, London) − → → • U = −− µ · E = −e2 E 2 /k . • Si ademas ese campo E es creado por una carga puntual q a una distancia r, entonces − → − → e2 E − → e2 q 2 q2 α − → U = −µ · E = − E =− ke 2 = − , k k r 2 r4 α = polarizabilidad , (46) muy importante en fisica atomica. Volveremos cuando veamos Claussius Mossotti. → • Si ese campo E es creado por dipolo permanente − p en el origen, entonces resulta 2 − → e → U = −− µ ·E =− k F. 2 1 ke − → [3 ( p · r) · r − p] ∝ − 6 3 r r (47) Interaccion dipolo inducido- dipolo inducido Otro caso muy importante es la interaccion de dos atomos neutros que se inducen uno al otro dipolos La energia de interaccion es U ∝ −C6 /r6 y ese potencial se conoce como Lennard Jones, que explica la formacion de moleculas tales como H2 , N2 , O2 , etc, cluster de gases raros, cristales de gases raros a bajas temperaturas (BE ), etc. La forma mas comun es escribirla como ULJ r0 12 r0 6 = U0 2 − r r Lennard Jones , (48) (el termino (r0 /r)12 es un artefacto matematico). Se puede probar que la posicion de equilibrio de la molecula es r = r0 . 10 G. Potenciales de larga distancia. Resumen Las energias de interaccion entre cargas puntuales (•), dipolos permanentes (↑), cuadupolos (), y diplos inducidos (), se pueden resumir asi: E = cte sobre q, → E = cte sobre − p, • q interactuando con •q ” •q ” •q ” → ↑− p interactuando con → ↑− p ” − → − → F = qE − → − → → τ =− p ×E • q′ , → ↑ − p, Q, → − µ, U∝ U∝ U∝ U∝ (49) 1 r 1 r2 1 r4 1 r2 1 r3 • q′, → ↑ − p ′, U∝ Q, → − µ, U∝ U∝ 1 r6 → → − µ interactuando con − µ, U∝ 1 r6 → ↑− p − ↑→ p ” ” (50) 1 r3 U∝ (51) 1 r4 . (52) Con estas dependencias se puede interpretar parte de la Quimica (ligaduras, mecanismos de reaccion), la Fisicoquimica (entalpias, etc), la Termodinamica (coeficientes de Virial), etc. III. ENERGIA ELECTROSTATICA Para construir una configuracion de cargas electricas, se requiere energia (trabajo). En esta seccion calcularemos la energia de un ensamble de cargas puntuales y distribuciones continuas. A. De un sistema de cargas puntuales Primeramente calcularemos la energia necesaria para construir un ensamble de cargas → puntuales q en − r . Las vamos trayendo de a una desde el infinito, consideramos que V(∞)=0 i i La primera particula, la ”1”, no requiere energia. La segunda, la ”2” la traemos en presencia 11 de la 1 y hacemos un trabajo q2 V12 , donde V12 es el potencial creado por la particula 1 en la posicion 2. En general definimos ke qi Vij = − . → → |r i−− r j| (53) Luego traemos la ”3”, en presencia de la ”1” y ”2”. Y asi sucesivamente, produciendo U= qj j=1 Usando el hecho que qj Vij = qi Vji obtenemos Vij . (54) i<j i=j i=j i=j 1 1 ke 1 U= qj Vij = qj → − qj Pji qi . qi = 2 j,i=1 2 j,i=1 |− ri−→ r j| 2 j,i=1 (55) que se puede poner en forma vectomatricial 1 U = q × P × q, 2 B. ke con Pji = − y Pii = 0 . → → |r i−− r j| (56) De una distribucion continua Para una distribucion continua, la rutina es siempre la misma: dividir el volumen dado → → en pequeños volumenes de carga dq ′ = ρ(− r ′ )d− r ′ y luego integrar, obteniendose 1 U= 2 Usando (17) resulta 1 U= 2 → → r ′) . d− r ′ ρ(r′ )V (− ke → → → → d− r ρ(− r) − d− r ′ ρ(− r ′) , → → ′ | r − − r | (57) (58) dq ′ dq expresion muy uilizada en Quimica Cuantica (notese que la energia electrostatica depende solo de ρ, o sea es un funcional de la densidad (density functional theory)). Para otras ditribuciones podemos usar la equivalencia (14). Otra expresion muy util se obtiene a partir de (57) expresandola en terminos del campo electrico. Usando la ecuacion de la divergencia (24) 12 y ∞ C. − → − → →′ 1 1 → − → − → → ′ − ′ ′ U = d r ρ( r )V ( r ) = d− r ′ ε 0 ∇ · E V (− r ) 2 2 − ε0 →2 → = d− r ′ E , 2 ∞ (59) (60) involucra todo el espacio. Autoenergia Notemos que si partimos de (57) y queremos calcular la energia de una sola particula de → → carga q en el origen ρ(− r ′ ) = qδ(− r ), resulta 1 1 q − → → → − → → → ′ − ′ ′ U= d r ρ( r )V ( r ) = d− r ′ [qδ(− r )] V (− r ′ ) = V (0) = ∞ !!! (61) 2 2 2 → La forma de lidiar con el problema es salirse de la funcion δ(− r ) y darle una cierta dimension, digamos una esfera uniformemente cargada de radio R . Entonces tenemos → ρ(− r) = q 4π 3 Θ(R R 3 q V (r) = 4πε0 − r) , 1 r r>R 3R2 −r2 2R3 r<R (62) , y (63) 1 3 q2 → → → . (64) U= d− r ′ ρ(− r ′ )V (− r ′) = 2 5 4πε0 R Effectivamente cuando R → 0, U → ∞. Despreciando el termino 3/5 que representa el factor de forma y aplicando la famosa expresion encontrada en la teoria de la relatividad E = mc2 ≡ U , resulta que q2 = mc2 = energia de la particula en reposo . 4πε0 R Con lo que el radio clasico de la particula puntual es (65) q . (66) 4πε0 mc2 Para el caso del electron Re = 2.8179 × 10−15 m= 5.32 a.u. Re se conoce como radio R= de Thompson y aparece en muchos procesos materia-radiacion (scattering de Thompson, Compton y Klein Nishina, Raman scattering, scattering de Rayleigh, etc.). 13 IV. CONDUCTORES IDEALES Y CAPACITORES Es una idealizacion de los metales. Los metales se caracterizan por tener electrones libres (digamos ~1028 elec/m3 ) que son aportados por las capas exteriores (de valencia) de los atomos. La fisica fundamental es que estos electrones reaccionan en presencia del campo electrico para neutralizarlo en su interior. En principio no pueden escaparse del metal debido a la funcion trabajo. Su velocidad es alta 1 a.u.=c/137.= 2.2 × 10−6 m/seg y el tiempo de neutralizacion puede variar entre los 10−15 (femptoseconds) a 10−9 (nanoseconds). Nos ocupamos del caso estatico final. La propiedad fundamental es que dentro del conductor vale E=0 para fisicos, ó V = cte para ingenieros (67) Si caracterizamos a la superficie del conductor ideal con el versor normal saliente n , entonces − → → − − → − → • Usando C E · d l = 0, se demuestra que en la superficie E × n = E = 0. − → • Usando la ley de Gauss ε0 E ·n da = qenc , se demuestra que en la superficie S − → σ . E ·n = E⊥ = ε0 (68) • Si usamos la definicion de V = cte (incluyendo la superficie), resulta obvio que el campo electrico es perpendicular a las superficie, por ser esta una superficie equipotencia.l • Se demuestra que, en una cavidad dentro de un conductor, el campo electrico es nulo (jaula de Faraday). • Si tenemos dos esferas conductoras de radio R1 y R2 conectadas por un alambre conductor y una cierta carga libre en su interior, esta carga se distribuira en la superficie de las esferas con σ 1 y σ 2 de modo tal que σ1 R2 E⊥ (R1 ) = = . σ2 R1 E⊥ (R2 ) Si R1 → 0, entonces σ 1 → ∞, y E⊥ (R1 ) → ∞ (efecto puntas). 14 (69) A. Metodo de las imagenes − → Supongamos una carga +q en las posicion d = (d, 0, 0) frente a un semiespacio (x < 0) conductor. El potencial dentro del conductor es V = cte = 0, y el el espacio exterior esta dado por ke q V (r) = + − → + ke − → r − d da′ σ i (a′ ) , → → |− r −− r ′| (70) → donde da′ = dydz, − r ′ = (0, y, z) y σ i es la carga inducida en la superficie del conductor que NO la conocemos. El metodo de las imagenes aqui consiste en inventar una carga q′ en la − → posicion d ′ = (−d, 0, 0), para reemplazar al segundo termino de la RHS, o sea el potencial es ahora ke q ke q ′ V (r) = + + − → → − → . → r − d − r + d ′ − (71) − → − → La condicion de que V = 0 en la superficie se satisface haciendo q ′ = −q y d ′ = − d con lo cual garantizamos el conocimiento del potencial en la superficie cerrada (la cerramos en el infinito) y por lo tanto la solucion es unica y estable (Dirichlet). La solucion se usa fuera del conductor, en el interior consideramos obviamente V = 0. El campo electrico en la superficie − → − → es: ex · E = σ i /ε0 =- ex · ∇V, con lo que se encuentra σi = − 2π(d2 qd , + y2 + z2 ) (72) expresion muy importante para representar iones frente a superficies metalicas (adsorcion, catalisis, plasmones, etc.) Otros dos casos son de interes: • Una carga puntual colocada frente a dos hemisespacios conductores. • Una carga puntual frente a una esfera conductora. B. Sistema de conductores Consideremos un sistema de N conductores de forma cualquiera y carga arbitraria qj . sabemos que: 15 • Las cargas netas de cada conductor se van a conservar. • Las cargas se van a distribuir (inducidas unas a las otras), pero permaneceran en la superficie de cada conductor. Nos conviene definir una densidad superficial de carga de cada conductor normalizada tal que σ ′j (sj ) σ j (sj ) = , tal que qj dsj σ ′j (sj ) = 1 . (73) Sj • Dentro (y en la superficie) de cada conductor el potencial es constante (o campo nulo en su interior) y lo notaremos con Vj con respecto a un valor de referencia (generalmente V = 0 en el infinito). Entonces si V (r) es el potencial en todo lugar del espacio podremos afirmar que → V (− r ) = Vj → ∀− r j ∈ Rj , j = 1, ..N , (74) donde Rj es el espacio que ocupa el conductor j. Expresion (74) vale tambien para los → → valores de − r j que estan en la superficie de Sj y que lo denotaremos con − r sj .De acuerdo a la definicion (17) podemos escribir que el potencial en cualquier punto de espacio resulta ser: V (r) = N ke j=1 Pj (r) = ke Sj N σ j (sj ) dsj − qj ke = → |→ r −− r sj | j=1 σ ′j (sj ) Sj Sj N σ ′j (sj ) dsj − qj Pj (r) , = → |→ r −− r sj | j=1 dsj − . → |→ r −− r sj | (75) (76) Si las superficies de los conductores son complicadas, Pj son muy dificiles de calcular debido al desconocimiento de σ ′j (sj ).La ecuacion (75) se puede dividir en N ecuaciones imponiendoles las N condiciones (74). Resultando entonces Vi = N Pij qj Pij =coeficientes de potencial , (77) j=1 → Pij = Pj (ri ), ∀ − r i ∈ Ri , i = 1, ..N , (78) y Pij = Pji . La energia de formacion de este sistema es de acuerdo a (57) N 1 U= 2 j=1 N 1 → → d− a ′ σ j (sj )V (− r ′) = qj Vj 2 j=1 16 N 1 → d− a ′ σ ′j (sj ) = qj Vj . 2 j=1 1 (79) Pasemos a la representacion vectomatricial. Las ecuaciones (75) y (79) se reducen a V = P ×q = q×P y 1 1 =⇒ U = q × P × q . U = q·V 2 2 (80) (81) Definiendo C ×P =P ×C =1 Cij = coeficientes de capacitancia (82) con Cij = Cji , resulta que q = C ×V =V ×C 1 U = V ×C ×V 2 C. y (83) (84) Capacitores Sean dos conductores (armaduras) de cualquier forma con cargas q1 = +q y q2 = −q, las ecuaciones anteriores se reducen a V =P q−P q 1 11 12 V2 = P21 q − P22 q restando (85) V = V1 − V2 = (P11 + P22 − P12 − P21 )q, definiendo C = q/V C = capacitancia, 1 = 2 C11 C22 − C12 , (C11 + C22 + 2C12 ) (P11 + P22 − 2P12 ) [q] Coul [C] = = =Faradio . [V ] V ol con (86) (87) (88) (89) En la gran mayoria de los casos reales los valores de C no se calculan sino que se miden. Conectando capacitores Ci en serie (igual carga) o en paralelo (igual potencial) resulta que se comporta como un capacitor de valor C tal que 1 C = C = 1 i Ci en serie i Ci en paralelo 17 . (90) D. Capacitores de placas paralela Sean dos placas paralelas infinitas (por ahora) cargadas con densidad superficial de carga +σ y -σ, ubicadas en las posiciones x = −l/2 y x = −l/2, la ecuacion de Poisson en una dimension resulta l 1 l ∇ V =− σδ x + + (−σ)δ x − ε0 2 2 2 la solucion es V (x) = y el campo electrico resulta ser σ l , ε0 2 − εσ0 x, −l/2 ≤ x ≤ − σ l, ε0 2 0, ∂V σ = , ε0 ∂x 0, σ l Ex = Θ x+ − ε0 2 Ex = − x ≤ − 2l x≥ l 2 (92) l 2 x ≤ − 2l −l/2 ≤ x ≤ x≥ (91) l 2 ó mejor (93) l 2 l σ Θ x− . ε0 2 (94) Lo cual es correcto. Notar que ∇E = ∇2 V = reproduce la formula de partida (91). De (92) resulta que V = V (−l/2) − V (l/2) = σ l 1 q l σ l σ + = l= ε0 2 ε0 2 ε0 ε0 S 2 (95) σ q S = ε0 = (medio × geometria) C = V l (96) donde hemos considerado que el capacitor tiene una dimension finita (approximacion!) de superficie S. Son igualmente calculables: • dos cilindros concentricos infinitos con radios R1 y R2 • dos caparazones esfericos concentricos con radios R1 y R2 18 E. Energia acumulada dentro de un capacitor de placas paralelas − → Segun la ecuacion (60) y considerando que E = 0 solo dentro del cubo de volumen Sl, resulta ε0 U = 2 ε0 U = 2 ó usando C = ε0 S/l, resulta →2 ε − 2 0 → − → ′ − d r E = E Sl , 2 V 2 2 σ q/S 2 ε 0 Sl = q l , Sl = ε0 2 ε0 2ε0 S (97) (98) qV CV 2 q2 U= = = (99) 2C 2 2 Notar la analogia con las ecuaciones (81)y (84). Podemos definir la densidad de energia por unidad de volumen →2 U ε0 − wE = = E densidad de energia electrica por unidad de volumen , Sl 2 (100) que sera importante cuando se calcule la energia del campo electromagnetico y en definitiva la energia del foton. V. DIELECTRICOS Ya hemos introducido los conductores y los hemos caracterizado como un material que tiene electrones libres. Hay otro tipo de materiales llamados dielectricos que no poseen electrones libres, sino dipolos (permanentes o inducibles) Ante la presencia de un campo electrico el medio se polariza. Aun cuando el material es, en principio, electricamente neutro los dipolos inducen un campo electrico que influye localmente. Podemos decir que los electrones libres hacen a los conductores tanto como a los dipolos a los dielectricos. A. Modelo Simple Supongamos dos capacitores identicos geometricamente (caracterizados por S y l) uno en el vacio y el otro con un cierto material (dielectrico) dentro. 19 Primera experiencia de Faraday: Si el capacitor en el vacio acumula una carga Q0 cuando a sus armaduras se las somete a una diferencia de potencial V0 , de modo tal que C0 = Q0 /V0 , se encuentra que el capacitor con el dielectrico acumula una carga Q = Ke Q0 cuando a las armaduras se las somete a la misma diferencia de potencial V0 , con lo que C= Q Ke Q0 = = Ke C0 , V0 V0 (101) donde Ke es una caracteristica del medio. El modelo mas simple es pensar que hay una cierta carga inducida Qind en la superficie del dielectrico en contacto con la armadura de signo opuesto, tal que Q = Ke Q0 = Q0 − Qind =⇒ Qind 1 . = Q0 1 − Ke (102) En el caso del capacitor en el vacio podemos usar la ley de Gauss sin inconvenientes ε0 − → → a = Q0 . E 0 · d− (103) S En el caso del capacitor con el medio dielectrico tenemos un problema, ya que la carga encerrada es Q0 − Qind , entonces ε0 S ε0 Ke − → − 1 Q0 → . E · d a = Q0 − Qind = Q0 − Q0 1 − = Ke Ke (104) − → − E · d→ a = Q0 (105) S Comparando (103) con (105), y llamando ε = Ke ε0 permitividad electrica del medio, − → − → − → D = ε0 Ke E = ε E vector desplazamiento. (106) (107) Podemos escribir la ley de Gauss en su forma mas util − → − D · d→ a = Q0 ley de Gauss para medios dielectricos. S En la siguiente seccion vamos a echar luz sobre lo que aqui hemos obtenido. 20 (108) B. Electrostatica macroscopica Pasemos a una descripcion macroscopica en terminos de valores medios. Consideremos → → → un elemento de volumen d− r ′ centrado en la posicion − r ′j . Un solo dipolo − p j ubicado en la → → posicion − r dentro de dicho diferencial genera un potencial V en la posicion − r , que esta j j dado por (28) Vj (r) = ke − → → → p j · (− r −− r j) . − → − → | r − r j |3 (109) Sumemos ahora todos los dipolos del volumen ubicado en el elemento de volumen j → → → − r −− r j ) p j · (− Vj (r) = d V (r) = ke → → |− r −− r |3 j j → → (− r −− r ′) − → = ke pj· − . → |→ r −− r ′ |3 − → − r′ r j ≃→ ≃ ke → → → − r −− r ′) p j · (− , (110) → → |− r −− r ′ |3 j (111) j Definiendo − →− P (→ r ′) = y haciendo j − → j pj = densidad de dipolos por unidad de Volumen, → d− r′ (112) Vj (r) = d V (r) resulta → → − → → ′ (− r −− r ′) − d V (r) = ke P (− r )· − d→ r′, (113) → |→ r −− r ′ |3 → → − → → ′ (− r −− r ′) → V (r) = ke d− r ′ P (− r )· − . (114) → |→ r −− r ′ |3 − → Si estamos interesados en el valor medio del campo electrico E (r) se obtiene como siempre − → haciendo E (r) = −∇ V (r) , y llegamos a − →− → − → − → − → − → ′ ′ ′ − →− − → 3 P ( r ) · ( r − r ) · ( r − r ) ′ → P(r ) → E (r) = ke d− r ′ − − . − → − → → → ′ 5 |r − r | |r −− r ′ |3 (115) − → →′ → Para chequear que esta bien, consideremos un solo dipolo en el origen P (− r ) = pδ(− r ), entonces recobramos la ecuacion (34). Trabajandolo se llega a 21 − → →′ − → 1 → r ) · ∇′ − d− r ′ P (− , → → |r −− r ′| − − →′ − →− →− → → ′ ′ −∇ · P ( r ) P(r )·n → ′ = ke d− r′ ds + k . e → → → → |− r −− r ′| |− r −− r ′| V V (r) = ke (116) (117) S Aqui tenemos dos caminos − → →′ r ) = 0, y la Primer camino. Si integramos SOLO en el volumen V , o sea donde P (− segunda integral sobre la superficie que lo encierra, entonces podemos interpretar que V (r) es ocacionado por dos densidades de carga inducidas, por el volumen y por la superficie V (r) = ke − →′ → σ ind (− r ′) − → ′ ρind ( r ) dr − ds k , e → → → |→ r −− r ′| |− r −− r ′| V (118) S − → − → →′ − → →′ → → ρind (− r ′ ) = − ∇ ′ · P (− r ) y σ ind (− r ′ ) = P (− r )·n . (119) σ ind es igual a la introducida en la seccion anterior que se formaba en la superficie del dielectrico en contacto con la armadura. Ademas aparece una (inesperada) densidad de volumen ρind , que esta relacionada con la variacion de la densidad, si la hubiese. Ya que las inducciones deben conservar la carga, entonces 0 = V = V → → d− r ′ ρind (− r ′) + → ds′ σ ind (− r ′) , (120) S − − →′ − →− → →′ − → → ′ ′ d r −∇ · P ( r ) + ds′ P (− r )·n , (121) S que se satisface ya que es el teorema de Gauss. Segundo camino. Si integramos en TODO el espacio (aqui denotado con ∞ ), hasta el − → →′ infinito. Alli P (− r ) = 0, por lo que la integral sobre la superficie cerrada en el infinito es nula. El primer termino de la RHS tiene la estructura de un potencial con una carga inducida de polarizacion en volumen tal que − → − → →′ → ρind (− r ′ ) = − ∇ ′ · P (− r ) tal que − → ′ ρind ( r ) → V (r) = ke d− r′ − . → |→ r −− r ′| ∞ 22 (122) (123) Como las densidades de polarizacion deben compensarse (no generan cargas sino que se reordenan), entonces ∞ → → d− r ′ ρind (− r ′) = 0 . (124) Volviendo a la ecuacion de la divergencia del campo electrico (24) y considerando que hay aparte de la densidad de carga inducida ρind y otra densidad externa real ρ0 ( libre (free) o real (true) o externa, etc). Entonces − → − → ε0 ∇ · E − → − → − → ∇ · ε0 E + P − → − → ε0 E + P − → − → ∇·D − → − D · d→ a − → − → = ρtotal = ρ0 + ρind = ρ0 − ∇ · P , (125) llamando, = ρ0 , − → = D= vector desplazamiento , (126) = ρ0 , (128) = Q0 , entonces, (127) ley de Gauss para medios dielectricos . (129) S − → − → − → − → Notemos que ahora ∇ × D = ∇ × P . Resumiendo − → − → ∇ · D = ρ0 − → − → − → − → ∇×D = ∇× P. C. − → − → ∇ · E = (ρ0 + ρind ) /ε0 . − → − → ∇× E =0 (130) Medios lineales isotropos y homogeneos (LIH) − → − → La expresion del vector desplazamiento D depende de la Polarizacion P segun la ecuacion (127). Lo mas general es que la polarizacion sea dada por una expansion de Taylor − − − − → − →→ − → → → → P = P (− r ) = P 0 + χ1 × E + E × χ2 × E + O(E 3 ) (131) − → Si P 0 = 0 significa que el material tiene una polarizacion aun en ausencia de campo electrico (E = 0). El material se llamam electrete y tiene una fisica similar al magnetismo − → (ferromagnetismo) por lo que a veces se lo llama ferroelectricos. Si P 0 = 0 y el segundo − → − → termino es suficiente para describir la polarizacion, entonces P = χ1 × E y el termino se 23 → llama lineal. Si ademas es isotropo entonces χ1 ≡ χ = χ(− r ) = susceptibilidad electrica. Si ademas el material es homogeneo (y lo denotaremos con LIH) entonces χ = cte. Por conveniencia escribimos χ = ε − ε0 y podemos escribir: − − → − → → P = χe E = (ε − ε0 ) E , entonces − → − → − → − → − → − → D = ε0 E + P = ε0 E + (ε − ε0 ) E = ε E (132) (133) − → E − → es un valor medio, P tambien es un valor − → medio (densidad de dipolos) por lo que deberiamos haberlo notado como P , por lo que − → D tambien debe entenderse como un valor medio y lo tendriamos que haber notado como − → D . No se usa, se sobrentiende. Es por este concepto de valores medios (promedios sobre que es la expresion concida. Vimos que la escala microscopica) que se llama electrostatica macroscopica D. Efecto de bordes Hemos desarrollados dos caminos. El primero es elemental. Llegamos a una carga su− → →′ → perficial inducida σ ind (− r ′ ) = P (− r )·n tal cual lo vimos en el el modelo simple cuando incorporamos la carga inducida Qind . En segundo camino que integramos hasta el nfinito no aparecio tal carga inducida. Donde esta?. Analizemos el primer camino a la luz del segundo. Reconsideremos el caso del capacitor de placas paralelas en donde colocamos un dielectrico LIH: polarizacion constante P Por simplicidad trabajaremos en una dimension e integraremos hasta el infinito como lo requiere el segundo camino. La polarizacion es entonces P (x) = 0 P 0 x < −l/2 −l/2 < x < l/2 (134) x > l/2 que se puede escribir en terminos de la funcion Θ de Heaviside P (x) = P Θ(x + l/2) − P Θ(x − l/2) − → − → →′ → El camino 2 solo define la ρind (− r ′ ) = − ∇ ′ · P (− r ), que en una dimension es 24 (135) ∂ ∂ P (x) = − [P Θ(x + l/2) − P Θ(x − l/2)] ∂x ∂x = (−P )δ(x + l/2) + P δ(x − l/2) ≡ σ ind (x) . ρind (x) = − (136) (137) La lectura ahora es simple: hay dos densidades de carga −P y +P en las posiciones x = −l/2 y x = l/2, respectivamente. Y esas son las densidades de carga inducidas. Mas aun, de la ecuacion de neutralidad (124) se cunple perfectamente +∞ dxρind (x) = −∞ +∞ −∞ dx [(−P )δ(x + l/2) + P δ(x − l/2)] = −P + P = 0 , (138) En conclusion, las densidades superficiales son los efectos de los bordes (derivada de Θ es la δ). E. Energia electrostatica en presencia de dielectricos Repitamos todo lo visto para el caso del vacio. Para una distribucion (digamos volumetrica) de cargas, tenemos que cada particula queda apantallada en un factor Ke = ε/ε0 ≥ 1 1 U= 2 → → r ′ ) , d− r ′ ρ0 (r′ ) V (− (139) → donde hemos introducido el termino V (− r ′ ) dado por la ecuacion (123), o sea V (r) = ke ∞ − → →′ → − − ∇ ′ · P (− r ) → d− r′ . → → |− r −− r ′| (140) Fisicamente construimos una distribucion de cargas (externas ) ρ0 en presencia de todos los − → − → potenciales, las otras cargas externas mas las inducidas. Sabiendo que ∇ · D = ρ0 , llegamos a 1 U= 2 V − → − → → d− r ′D · E . (141) Para el caso de un capacitor de placas paralelas con dielectrico LIH con ε, tenemos (siguiendo las mismas approximaciones) 25 → − → q2 l 1− D · E Sl = ó usando 2 2ε S S C = Ke C0 = ε , resulta l U0 qV CV 2 q2 U = = = = , Ke 2C 2 2 (142) U = (143) (144) donde U0 es la energia acumulada por el capacitor en el vacio con C0 F. Sobre la ley de Coulomb en medios LIH Consideremos una particula cargada con carga q0 ubicada en el origen de una esfera dielectrica (”fluido”) LIH de radio R0 . Usando la ley de Gauss para medios dielectricos tenemos q0 = S − → E − → − − → q0 r D · d→ a, ⇒ D = , 4πr2 (145) qeff 1 q0 r 1 − → r 1− → q0 r (q0 /Ke ) = = E0 = , = D= 2 2 2 ε 4πεr Ke 4πε0 r Ke 4πε0 r (146) con lo cual vemos claramente que la carga q0 esta disminuida (apantallada) en un factor Ke ≥ 1. Veamos como se distribuye las carga inducidas. Calculemos primeramente la polarizacion − → − → − → P = D − ε0 E = 1 q0 r 1− , Ke 4πr2 (147) Por un instante consideremos que la particula q0 posee un radio r0 → 0. Las cargas inducidas − → − → en las superficies (interna y externa) ( ∇ · P = 0) del dielectrico seran qind = da σ ind = − − → → da P · n + da P · n , interna externa 1 q0 r 1 q0 r 2 = 1− ·n i 4πr0 + 1 − ·n e 4πR02 , 2 Ke 4πr0 Ke 4πR02 1 1 = − 1− q0 + 1 − q0 = 0 OK, neutralidad , Ke Ke qi (148) Qi 26 (149) (150) qi es la carga inducida que apantalla la particula y Qi = −qi es la carga remanente en la superficie externa. Ahora podemos tender R0 → ∞, entonces la carga electrica total de la particula sera la externa mas la inducida, o sea qtotal 1 q0 q0 = = q0 + qi = q0 − 1 − . Ke Ke (151) Como Ke ≥ 1 entonces cada particula q0 queda apantallada en un factor Ke = ε/ε0 y se comporta como q0 /Ke . Vale entonces valen todas las expresion del campo electrico con qef f = q0 /Ke . G. Ecuaciones de Poisson y Laplace en medios dielectricos LIH → De acuerdo a la ley de Coulomb una particula cargada en la posicion − r ′ un medio LIH → con ε genera un campo electrico en − r tal que → → − →− q − r −− r′ → E( r ) = 3 , → → 4πε |− r −− r ′| y las ecuaciones siguen lo mismo con ε en lugar de ε0 . Entonces − → E = ρ0 /ε por lo que llegamos a la ecuacion de Poisson ∇2 V = − ρ0 , ε (152) − → E − → = −∇ V , y ∇ · Ecuacion de Poisson de medios dielectricos LIH , (153) y puede ser resuelta en forma analoga. H. Condiciones de contorno entre dos medios dielectricos − → − → Sean dos medios dielectricos. un medio interno ”1” con E 1 y D 1 normal n , y un medio − → − → ”2” con E 2 y D 2 . Si hacemos un blister en la superficie y aplicamos el teorema de Gauss, resulta − → − D · d→ a = q0 ⇒ S Si hacemos una circulacion 27 − → − → D1 − D2 · n = σ0 . (154) − − − → − → → → E ·d l =0 ⇒ E1 − E2 × n =0. (155) C De (154) y (155) se determinan la componente perpendicular del vector desplazamiento y la paralela del campo electrico (D1⊥ − D2⊥ ) = σ 0 % & E1 − E2 = 0 (156) − → − → Si ademas estamos en presencia de un medio dielectrico LIH, tal que D 12 = ε1,2 E 1,2 se encuentra que, en ausencia de cargas libres (σ 0 = 0), vale tan α1 ε1 = , tan α2 ε2 (157) 1,2 . Si los medios son dielectricos y sus propiedades magneticas son ·E donde cos α1,2 = n despreciables resulta que ε1 /ε2 = n = indice de refraccion con lo que (157) derivara, como veremos, en la ley de Snell. Conductores. Hemos estrictamente considerado dos dielectricos. En algunos casos es posible modelizar a los conductores ideales considerando que K=ε/ε0 → ∞. El argumento es muy rebuscado pero vale la pena plantearlo. Consideremos la condicion (154) para medios LIH. En ausencia de σ 0 , se resume a D1⊥ = ε1 E1⊥ = ε2 E2⊥ = D2⊥ . Si el medio interno ”1” es un conductor entonces E1 = 0, con lo que ε1 debe tender a ∞ de tal forma que se verifique ∞ × 0 = ε2 E2⊥ (?!). I. Clausisus Mossotti (Mossotti vivio en Argentina alrededor de 1830 y enseño fisica. Trabajaba en el convento de Santo Domingo). Supongamos que una esfera dielectrica de permitividad ε2 y radio a es colocada en medio de un (fluido) dielectrico con permitividad ε1 , con un campo inicialmente constante y que a grandes distancias tiene el valor E0 en la direccion z. Resolviendo la ecuacion de Laplace para el potencial se llega a que la solucion es V1 = ε2 −ε1 a33 − 1 E0 z, ε2 +2ε1 r V = − 3ε1 E z, 2 ε2 +2ε1 0 28 fuera de la esfera dentro de la esfera (158) Verifiquemos que la solucion satisface todos los requerimientos • V1 (a) = V2 (a). − → • E 1 = −∇V1 →r→∞ E0 z. − → − → • E 1 (a) × r = E 2 (a) × r. − → − → − → − → − → − → • Si hacemos D 1 = ε1 E 1 y D 2 = ε2 E 2 , entonces se verifica que D 1 (a) · r = D 2 (a) · r. − → Dentro de la esfera E 2 = cte y su valor es − → 3ε1 D2 E2 = E0 z = . ε2 + 2ε1 ε2 (159) → Y afuera de la esfera el campo es igual a E0 mas el creado por un dipolo − µ (inducido) en → el origen dado por (43). El valor de − µ esta dado por ε2 − ε1 − → µ = 4πε0 a3 E0 z , ε2 + 2ε1 (160) − → → con lo cual se redujo el efecto de la esfera a un dipolo inducido − µ por E 0 . Veamos tres casos. Cavidad en un dielectrico En ese caso ε2 =ε0 , y definiendo la permitividad relativa K1 = ε1 /ε0 , resulta − → 3K1 D2 E2 = E0 z = . 1 + 2K1 ε2 1 − K1 − → 4πε0 a3 E0 z . µ = 1 + 2K1 (161) (162) Esfera dielectrica en el vacio En ese caso ε1 =ε0 , y definiendo la permitividad relativa K2 = ε2 /ε0 , resulta − → 3 D2 E = E0 z = , 2 + K2 ε2 K2 − 1 − → µ = 4πε0 a3 E0 z . K2 + 2 (163) (164) y esta es la famosa formula de Clausius Mossotti (1850). Esfera conductora en el vacio. Como vimos, en ese caso se toma K2 → ∞, por lo que 29 − → − → µ = 4πε0 a3 E0 z = α E 0 , (165) α = 4πε0 a3 = polarizabilidad , (166) que ya vimos en la ecuacion (46). Notese que en el sistema gaussiano (4πε0 ≡ 1) por lo que α = a3 = (3/4π) × Volumen. En este modelo la polarizacion de los atomos (considerados como esferas conductoras) es proporcional al volumen. Sera importantisimo para determinar las propiedades opticas de ciertos materiales (aisladores por ejemplo). J. VI. A. Resistencia interna MATERIALES OHMICOS Y CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA Ley de Ohm microscopica. Modelo de Drude. Supongamos un electron (q = −e) que se mueve libremente en presencia de un campo − → − → − → → → electrico E . Segun la 2da ley de Newton recibe una fuerza F = −e E = me − v /dt a = m2 d− y el electron se acelera. Si el medio fuese un conductor ideal, el electron se moveria hacia la superficie y permaneceria alli ya que no puede escapar. Si es un material ohmico el electron choca con los otros electrones e iones del cuerpo y recibe una fuerza de rozamiento − → → F r = −α− v (igual que la ley de Stokes). La ley de Newton es entonces → − → − → d− v → F = −e E − α− v = me dt (167) el coeficiente de rozamiento α tiene dimensiones de masa sobre tiempo, por lo que nos conviene escribir α = me /τ , y a τ se lo conoce como relaxation time (o mean free time) y → tiene que ver con el tiempo entre colision y colision. En el estado estacionario d− v /dt = 0, − → entonces v = −e/α E . A esta velocidad de los electrones en la direccion del campo se la llama velocidad de desplazamiento. Si tenemos n = N/V =densidad de electrones (o cualquier otro carrier), entonces podemos definir la densidad de corriente − → − → e2 nτ − → → J = −en− v = −en(−eτ /me) E = E, me 30 entonces (168) − → − → J = σE , ley de Ohm microscopica e2 nτ = me 1 ρ = = σ σ = conductibilidad , resistividad . (169) (170) (171) Notese que los campos electricos a nivel atomico son muy grandes. Por ejemplo tomemos el cobre con una densidad electronica n ≈ 8 × 1028 elec./m3 , de lo que se deduce que la √ distancia entre ellos es del orden de d ≈ 3 n ≈ 10−9 . El campo electrico, sera del orden de 1 e N V olts ≈ 1011 ≈ 1011 , (172) 2 4πε0 d C m lo cual es enorme. Pensemos que las baterias son del orden del Voltio, la red domiciliaria Eee ≈ ≈ 220 Voltios. Aun el transporte de corriente que se hace via las torres de alta tension son − → − → del orden de los 104 Volts. En este sentido, la ley de Ohm J = σ E podria pensarse como − →− → el primer orden de una serie perturbativa de la densidad de corriente J ( E ) para bajos valores de E. Los electrones libres (free electron gas) que fluyen con el campo electrico se mueven al azar con velocidades comparativamente enormes (velocidad de Fermi), del orden → de, digamos; 1.5×106 m/seg= 1500 Km/seg!. Sin embargo en la direccion del campo (− v en (168) es pequeñisima (digamos del orden de los milimetros por segundo) como veremos luego B. Corriente electrica. − → Supongamos una densidad de corriente de electrones J segun (168). Si tuviesemos varios carrier de carga electrica ( electrones, iones, agujeros, etc), entonces se generaliza obiamente − → → a J = j qj nj − v j . Se define corriente electrica i como la cantidad de carga (Coulomb) que fluye sobre una determinada superficie S por unidad de tiempo (en forma analoga al caudal en un fluido), matematicamente i = dq/dt. La corriente entonces es un escalar y su unidad es [i]=C/seg=Ampere. Se demuestra que Q i= = t S − → J ·n ds = 31 corriente electrica , (173) siendo, como siempre, n la normal a la superficie S. C. Velocidad de desplazamiento Supongamos un simple conductor cilindrico (un cable) por el que circulan electrones − → caracterizados por la densidad de corriente J segun (168), entonces i= S − → J ·n ds = JS = envS, ⇒ v= i . enS (174) De esta manera podemos calcular la velocidad de desplazamiento de los electrones en la direccion del campo electrico. Supongamos un cable de Cu ( n ≈ 8.5 × 1028 , e = 1.6 × 10−19 Coulombs, radio del cable= 0.5 mm) por el que circulan 5 Amperes, los electrones tienen una velocidad de 0.46 mm/seg:. extremadamente lentos. Mas aun si lo comparamos con la velocidad al azar del orden de 1500 Km/seg. D. Ley de Ohm macroscopica Volvamos al conductor mas simple, el cable cilindrico, podemos escribir i = S − → J ·n ds = JS , usando Ohm microscopica = σES, E = -∇V = −dV /dx = V /l , reemplazando V i = σ S llamando , l 1 l R = = resistencia (medio × geometria) σS (175) (176) (177) (178) entonces R= V i Ley de Ohm macroscopica , (179) o equivalentemente C= 1 S =σ R l Conductancia . Ahora podemos redefinir las unidades en terminos macroscopicos 32 (180) V ol =Ohm=Ω , ampere Ampere 1 [C] = = = mho=℧, entonces V ol Ω 1 ℧ [σ] = = , Ohm × metros m [ρ] = Ohm × metros = Ωm . [R] = (181) (182) (183) (184) Incluir Tabla Notese que si reescribimos la ley de ohm sabiendo que (en una direccion) E = −dV /dx e i = dq/dt, resulta dV dq = σS , dt dx que tiene la misma estructura que la propagacion del calor Q (185) dT dQ = −kT S , (186) dt dx donde kT la conductibilidad termica y dT /dx es el gradiente de temperatura. La razon es que tanto el calor como la corriente electrica son transportados (esencialmente) por los electrones. Un buen conductor de la electricidad (Ag, Cu, Au) generalmente es un buen condcutor de la electricidad. Hay una expresion equivalente a las ecuaciones (185) y (186) para los fluidos reales (con viscosidad) en terminos del caudal y del gradiente de la presion. Las resistencias puden disponerse an serie o paralelelo, dando R= 1 R E. = i Ri 1 i Ri en serie en paralelo (187) Ecuacion de continuidad. Corrientes estacionarias La ecuacion de continuidad expresa el principio de conservacion de la carga (valida tambien para fluidos e inclusive para la cuantica). Consideremos una superficie cerrada − → cualquiera S que intercambia carga via una densidad de corriente J . La corriente que ingresa al volumen encerrado por S es − → dQ i= J ·n ds = dt S 33 (188) − → yn es el versor perpendicular (saliente) de la superficie. Donde J · n > 0 sale carga y donde − → J ·n < 0 entra carga. Por otro lado la carga en el interior estara dada por → dρ(− r ′) − ∂Q − → − → ′ ′ Q= ρ( r ) d r ⇒ = d→ r′. (189) ∂t dt V V La conservacion de la carga implica que todo lo que entra se acumula, por lo tanto vale − → ∂ − → J ·n ds + ρ(→ r ′ ) d− r′ =0. (190) V ∂t S Usando el teorema de la divergencia resulta que ∂ − − → − → − → ′ ρ( r ) + ∇ · J d→ r′=0. ∂t V (191) Como esta expresion es valida para cualquier volumen que consideremos, entonces ∂ρ ∂t − → − → +∇· J =0, ecuacion de continuidad . (192) En el caso particular de que no se acumule carga en ningun lugar o sea que ∂ρ/dt = 0, podemos decir que ∂ρ ∂t F. − → − → =0= ∇· J regimen estacionario (193) Circulacion del campo electrico. Fuerza electromotriz Como veremos, para mantener la corriente electrica en un circuito es necesario la existencia de fuerza externas (digamos quimicas.) no conservativas que compensen la energia disipada por los choques. Circulacion sin f.e.m. Tomemos una espira cerrada de material ohmico y supongamos que circulase una corriente electrica. Sabemos que los electrones se mueven forzados por un − → − → − → − → → − campo electrico E que debe satisfacer ∇ × E = 0, o lo que es lo msimo E · d l = 0. Si − → − → el material es ohmico, entonces vale J = σ E , por lo que 0= → − → − E ·d l = − → − → → J − → − ·d l =σ J · d l ≈ σJl > 0 . σ (194) Lo que resulta una contradiccion (a menos que σ = 0!). No es posible entonces que el flujo J se mantenga indefinidamente en el tiempo. 34 Circulacion con f.e.m. Supongamos el mismo caso, pero ahora intercalamos una bateria en un cierto punto del circuito. Dentro de la bateria se hace un trabajo por unidad de carga electrica W/q. Los electrones sufriran una cierta fuerza, que la podriamos llamar ”quimica” − → F quim . En analogia con E = F/q, podemos imaginar un campo (no conservativo, a este − → nivel) tal que sea F Quim /q. Consideremos dos puntos del circuito a y b que encierran la bateria, podemos escribir entonces ' ( − → − → − → 1− → F quim − → − → F quim J =σ E + ⇒ E = J − , q σ q (195) e integrando resulta a b → − → − E ·d l = b a → → − 1− J ·d l − σ b a − → → F quim − ·d l . q Analizando cada termino, tenemos b b → − → − → − − → E ·d l = − ∇V · d l = V (a) − V (b) , a a b → → − 1− J∆l i ∆l ∆l J ·d l = = =i = iR , σ A σ σA a σ b a − → → F quim − ·d l = ε= q (196) (197) (198) R fuerza electro motriz , (199) − → − → y ε es un trabajo ( F quim · d l ) por unidad de carga , se denomina fem y su unidad es − → − → − → [ε]=voltio . Hemos considerado que ε > 0 porque F quim .d l > 0 o sea que la fuerza F quim − → , en nuestro caso, trabaja en la direccion de d l , que es el sentido de la corriente, de lo contrario sera negativa. Luego escribimos V (a) − V (b) = iR − ε . (200) Si a = b, tenemos ε = iR. que es lo que esperamos de la ley de Ohm. G. Leyes de Kirchoff − → − → Nos restringiremos al caso de corriente continua en estado estacionario, ∇ · J = 0. Cuando se conectan arbitrariamente resistencias y baterias, las corrientes que circula en cada rama del circuito queda determinadas por la ubicacion y el valor de los componentes 35 (baterias, resistencias y capacitores, hasta ahora). Las dos leyes de Kirchhoff constituyen dos reglas que permiten resolver en forma sistematica los circuitos. 1ra ley de Kirchhoff: Un nodo (branch point) es un punto del circuito donde se juntan dos o mas conductores. Dice: ”la suma algebraica de las corrientes que salen de un nodo debe ser nula”. Su demostracion es simple. Es una aplicacion de la corriente estacionaria, − → − → ∇ · J = 0. Si encerramos el nodo con una superficie cerrada, entonces − − → → − → 0= J ·n ds = Jn· Sn = in . (201) n S n 2da. ley de Kirchhoff. Una malla (loop) es un camino cerrado en el circuito. Dice: ”la suma algebraica de las caidas de potencial a lo largo d un circuito cerrado debe ser nula”, o sea n εn − ij Rj = 0 , (202) j donde aqui ij es la corriente que circula sobre la resistencia Rj . Su demostracion es una simple extension de la ecuacion (200). Hay que tener cuidado en el caso tener mallas adyacentes. En ese caso de tener varias malles lindantes hay que considerar el pasaje de corriente de diferentes mallas sobre una resistencia comun, hay que tener en cuenta el sentido de las corrientes y baterias. El sentido de las baterias es del + al -. Hay una total analogia entre la circulacion del agua en presencia de la gravedad con la corriente electrica. Una resistencia se comporta como una pendiente con piedras. Una bateria es como una noria que eleva baldes de agua para ganar energia potencial. H. Resistencia interna La baterias tienen resistencia interna. Se puede demostrar su existencia haciendo un cortocircuito entre sus bornes. En ese caso deberia ser i = ε/R = ε/0 = ∞, que no es cierto sino que se llega cierta imax = ε/ri , y a ri se lo conoce como resistencia interna. De esta manera la fuerza electromotriz real εreal = ε(i) difiere de la ideal ε. La forma mas simple es considerar que entre los bornes de una bateria hay un fem real tal que εreal = εreal (i) = ε − iri , (203) Si no circula corriente εreal (0) = ε, y a medida que crece la demanda de corriente, εreal disminuye. A esa resistencia interna se la trata como a cualquier otra del circuito y entra 36 dentro de las ecuaciones de Kirchhoff. Por ejemplo, si tomamos una pila de ZnCo tiene ε =1.5 Voltios siempre, no importa su estado de uso. Pero su ri crece con el estado de uso. Si la pila es nueva entonces ri = 0.5Ω y aumenta con el uso hasta valores de, digamos ri = 5Ω. Un ejemplo: supongamos que a esa pila se le coloca una lamparita de resistencia R = 10Ω. Usando la 2da ley de Kirchhoff, resulta que la intersidad que circula es i = ε/(R + ri ) y la potencia disipada por la lamparita sera de 2 ε 2 PR = i R = R, R + ri PR PR 2 1.5 = 10 = 0.2 W 10 + 0.5 2 1.5 = 10 = 0.1 W 10 + 5 entonces (204) bateria nueva , (205) bateria vieja . (206) En este caso la lamparita ha disminuido un 50% de su intensidad luminica y la bateria debe ser cambiada. Para reducir la resistencia interna, conviene acoplar pilas en paralelo mas que en serie ya que encontramos que r =r +r i i1 i1 1 1 1 = + ri VII. ri1 ri2 en serie en paralelo (207) MATERIALES ELECTRICOS. RESUMEN Resumamos los materiales electricos • Conductores ideales (E = 0, o V = cte). Los electrones libres son los responsables de esta propiedad • Materiales dielectricos. Caracterizados por polarizarse y presentar una densidad − → − → − → − → de dipolos por unidad de volumen P tal que (para medios LIH) P = P 0 + χ E + ... la − → polarizacion P surge debido a 3 posibles situaciones. − → Ferroelelectricos o electretes: tienen momentos dipolares permanentes ( P 0 = 0) (por ejemplo BaTiO3 ) Dipolares permanentes: El material esta formado por moleculas polares que se alinean con el campo (por ejemplo H2 O). Dipolares inducidas: moleculas originariamente no polares que en presencia de un campo electrico se poalrizan (el modelo del ”resorte”) (por ejemplo H, atomos en gral. H2 , O2 ). 37 − → − → Materiales Ohmicos (J = σ E ) Los electrones libres fluyen como un fluido estacionario con rozamiento (chocando enter ellos y con los nucleos del material) 38
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