miércoles, 2 de octubre de 2024

Biofísica 4 Electricidad (20) 10. Electrostática

Se conecta un capacitor de placas paralelas de 1 m², separadas 1 mm, a una fuente 100 V y, una vez cargado, se desconecta la fuente y se separan las placas hasta que están distantes 2 mm. El espacio entre placas está vacío.

 

a. Calcule la energía del capacitor antes y después de haber alejado sus placas, y explique de dónde ha salido esa diferencia.

 

Estado Inicial


U = 1/2  C  V^2

 

donde

U = energía almacenada

C = capacidad = εo  A / d

ε= permitividad eléctrica del vacío = 8,85 x 10^-12  F/m

A = área de las placas = 1 m2

d = distancia entre placas = 1 mm = 0,001 m = 1 x 10^-3 m

V = voltaje = 100 V

 

 

Reemplazando en U

U = 1/2 (8,85 x 10^-12  F/m  1 m1 x 10^-3 m)  (100 V)2 = 4,425 x 10^-5  J

 

Carga inicial

 

C = Q / V

 

donde

C = capacidad = 8,85 x 10^-12  F/m  1 m1 x 10^-3 m = 8,85 x 10^-9  F

Q = carga

V = voltaje = 100 V

 

reemplazando y despejando Q

Q = 8,85 x 10^-9  F  100 V = 8,85 x 10^-7  C

 

 

Estado final (fuente desconectada y capacitor modificado)

 

U2 = 1/2  Q^2 / C

 

donde

U2 = energía almacenada

C = capacidad = εo  A / d2

Q = carga = carga inicial (la fuente desconectada) = 8,85 x 10^-7  C

 

donde

d2 = distancia entre placas = 2 mm = 0,002 m = 2 x 10^-3 m

 

Reemplazando en U

 U = 1/2  (8,85 x 10^-7  C)^2 / (8,85 x 10^-12  F/m  1 m2 x 10^-3 m ) = 8,85 x 10^-5  J

 

La energía aumenta por el trabajo de la fuerza que separa las placas.

 


b. Repita los cálculos anteriores sin desconectar la fuente, y explique sus resultados.

 


Estado inicial = Estado inicial de a

 

U = 1/2  C  V^2  = 4,425 x 10^-5  J  (ver a)



b.2. Estado final

 

U = 1 /2  C  V^2

 

donde

U = energía almacenada

C = capacidad = 4,425 x 10^-9  F  (ver a)

V = voltaje = 100 V

 

Reemplazando

 U = 1/2  4,425 x 10^-9 F  (100 V)^2 =  2,21 x 10^-5  J

 

La energía disminuye porque la mitad de la carga regresa a la fuente (la capacidad se reduce a la mitad, la fuente está conectada = voltaje,  el capacitor solo puede almacenar la mitad de la carga)

 

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