26 de octubre de 2012

26.1.- Limitaciones al cargar un conductor



¿Cuánta carga eléctrica puede contener un conductor? ¿Hay un límite en cuanto al número de los electrones que puede transferirse a un conductor o ser transferidos desde él? Suponga que se conecta un gran depósito de cargas positivas y negativas, como la tierra, a un objeto conductor. La energía necesaria para transferir electrones de la tierra al conductor puede proporcionarla un aparato eléctrico llamo batería. Cargar el conductor es como bombear aire en un tanque vacio de acero. Cuanto más aire se bombea al tanque, más aumenta la presión  que se opone al flujo de más aire. De forma similar, cuanto más carga Q se transfiere al conductor, el potencial V del conductor se eleva, lo que dificulta transferirle mas carga. Se dice que el aumento de la potencia V es directamente proporcional a la carga Q que soporta el conductor. Simbólicamente esto se expresa así:


Por tanto, la razón de la capacidad de carga Q al potencial V producido será constante para un conductor específico. Esa razón refleja la capacidad del conductor para almacenar carga y se le llama su capacitancia C.


La unidad de capacitancia es el de Coulomb por Volt como Farad (F). Si un conductor tiene una capacitancia de una Farad, la transferencia de un Coulomb de carga al conductor elevara su potencia un volt.



Volvamos ahora a la pregunta original acerca de las limitaciones que se presentan cuando se carga un conductor. Se ha dicho que cada conductor tiene una determinada capacitancia C para almacenar carga. El valor de C para un determinado conductor no es una función de la carga que soporta el conductor ni del potencial producido. En principio, la razón Q/V permanecerá constante mientras se añade carga indefinidamente, pero la capacitancia depende del tamaño y la forma del conductor, así como de la naturaleza del medio que lo rodea, o medio circundante. Suponga que se trata de transferir una cantidad de carga indefinida Q a un conductor esférico de radio r, como se presenta en la figura 26.2. El aire que rodea al conductor es un aislante, a menudo llamado dieléctrico, que contiene unas cuantas cargas en libertad de movimiento. La intensidad del campo eléctrico E y el potencial V en la superficie de la esfera están dados por

Puesto que el radio r es constante, tanto la intensidad del campo como el potencial en la superficie de la esfera aumentan en proporción directa a la carga Q. Sin embargo, hay un límite para la intensidad del campo que puede haber en un conductor sin que se ionice el aire a su alrededor. Cuando esto sucede, el aire se vuelve esencialmente un conductor y cualquier carga adicional que se coloque en la esfera se “fugará” al aire. Este valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el que un material pierde sus propiedades aislantes se conoce como la rigidez dieléctrica de ese material.
 

La rigidez dieléctrica de un material es la intensidad del campo eléctrico para
la que el material deja de ser un aislante y se convierte en un conductor.


La rigidez dieléctrica para el aire seco a 1 atm de presión es de 3 MN/C, aproximadamente.
Puesto que la rigidez dieléctrica de un material varía considerablemente con las condiciones
ambientales, como la presión atmosférica y la humedad, es difícil calcular valores exactos.


Observe que la cantidad de carga que puede soportar un conductor esférico disminuye con el radio de la esfera. Por tanto, los conductores pequeños generalmente pueden soportar menos carga. Pero la forma del conductor también influye en su capacidad para retener carga. Considere los conductores cargados que se ilustran en la figura 26.3. Si se probaran con un electroscopio, se descubriría que la carga situada en la superficie de un conductor se concentra en los puntos de mayor curvatura. Debido a la mayor densidad de carga en esas regiones, la intensidad del campo eléctrico es también más grande en las regiones donde la curvatura es mayor. Si la superficie se remodela y se le da una forma puntiaguda, la intensidad del campo
puede volverse lo suficientemente grande como para ionizar el aire circundante. En esos sitios a veces se produce una lenta fuga de carga que da por resultado una descarga de corona, que se observa como un tenue destello de color violeta cerca del conductor puntiagudo. Es importante eliminar todos los bordes afilados en los equipos eléctricos para minimizar esta fuga de carga.



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