sábado, 5 de octubre de 2024

Biofísica 4 Electricidad (20) 13. Electrostática

 Un condensador de 1 μF se carga a 1300 V mediante una batería. Se desconecta de la batería, y se conecta inmediatamente a los extremos de otros dos condensadores, previamente descargados, de 2 μF y 8 μF de capacidad, respectivamente, conectados entre sí como se muestra en la figura. Calcular:

 


 

a. la diferencia de potencial entre las placas del primer condensador después de la conexión a los otros dos

 

a.1. Antes de la desconexión de la batería

 

C = Q / V

 

donde

C = condensador original  = 1 μF

Q = carga

V = diferencia de potencial = 1.300 V

 

Reemplazando y despejando Q

QμF 1300 V = 1300 μC = 1300 x 10^-6 C = 1,3 x 10 1,3 x 10 C = 1,3  mC

 

Cuando se desconecta la batería el 1,3 mC es la carga del sistema

 

a.2. Conexión de los 2 condensadores en serie al paralelo del primero

 

 


 

CB = 2 / ( 1/2 μF + 1/8 μF ) =  8/5 μF

 

La carga total del circuito (1,3 mC) se “reparte” entre las dos ramas del paralelo

Q = QA + QB  = 1,3 mC 

 

Capacitores en paralelo ( igual V)

 

 VA = VB

 

reemplazando V = Q/ C

QA / CA = QB / CB

 

reordenando

QA / 1 μ= QB / 8/5 μF

 

Despejando QA

QA = 5/8 QB

 

reemplazando en  Q

Q = QB + 5/8 QB  = 1,3 mC

 

Despejando QB

QB = 1,3 mC / 13/8  = 0,8 mC 

 

Reemplazando en VB

VB = 0,8 mC / 8/5 μF = 500 Volt

 

 VA = VB = 500 V  

  

Capacitores en serie  (igual Q)

 

Q = QB1 QB2 

 

reemplazando

VB1 = Q / 2 μF = 0,8 mC / 2μF = 400 V

VB2 = Q / 8 μF = 0,8 mC / 8μF = 100 V

 

 

b. la variación de energía electrostática asociada al proceso, en joules

 

b.1. Antes de la desconexión de la batería

 

UA = 1/ 2 CA VA^2 =  1 /2 * 1 μF  (1300 V)^2 = 0,845 J

UB1 = 1 /2  CB1 VB1^2 = 1 /2 *  2 μF  (0)^2 = 0

UB2 = 1 /2  CB2  VB^2  = 1 /2 * 8 μF * (0)^2  = 0

 

UTI = 0,845 J + 0 J + 0 J = 0,845 J

 

b.2. Conexión de los 2 condensadores en serie al paralelo del primero

 

UA = 1 /2 CA * VA^2 = 1 /2 * 1 μF  (500 V)^2  = 0,125 J

UB1 = 1 /2  CB1 VB1^2 =   1 /2 *   2 μF * (400V)^2 = 0,160 J

UB2 = 1 /2  CB2 VB2^2 = 1 /2 *  8 μF * (100 V)^2 = 0,040 J

 

UTF = 0,125 J + 0,160 J + 0,040 J = 0,325 J 

 

∆U = 0,325 J – 0,845 J = - 0,520 J

 

 

 

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