SOBRE LA DESCARGA ELÉCTRICA DE CUERPOS CARGADOS ON THE ELECTRIC DISCHARGE OF CHARGED BODIES

Anales Afa Vol, Villa, Carlos Paz
2012 unpublished
R e c i b i d o : 0 7 / 1 2 / 1 2 ; A c e p t a d o : 2 4 / 0 6 / 1 3 La relación entre el modelo electrostático de campo de los cuerpos cargados y el modelo cuasi-estacionario del flujo de corriente en conductores es conceptualmente difícil de asimilar para los estudiantes. En los últimos años hay una tendencia en la literatura para tratar de aclarar esta relación enfatizando las características comunes. En este trabajo se presenta un análisis cuasi-estacionario de la descarga de cuerpos
more » ... os usando el modelo electrostático de coeficientes de potencial para describir el estado inicial y final y el modelo cuasi-estacionario de flujo de corriente para describir el intervalo de descarga. Se plantean claramente las hipótesis de los modelos utilizados y sus limitaciones y surge la importancia del concepto estático de capacidad para la descripción del fenómeno de la descarga. Se espera que ejemplos de este tipo ayuden a los estudiantes a asimilar los modelos subyacentes, sus limitaciones e interrelaciones. Palabras clave: descarga eléctrica, modelo electrostático, modelo cuasi-estacionario, capacidad. The relationship between the field electrostatic model of charged bodies and the quasi-stationary model of current flow in conductors is conceptually difficult to grasp for students. In the last years there is a trend in the literature to try to clarify this relationship stressing the common features. In this work we present a quasi-stationary analysis of the discharge of charged bodies using the electrostatic model to describe the initial and final states and the quasistationary current flow model to describe the discharge interval. The hypotheses and limitations of the models used are clearly presented and the importance of the static concept of capacity in the description of the discharge phenomenon arises. It is hoped that examples of this type help students to understand the underlying models, their limitations and interrelations. Keywords: electrical discharge, electrostatic model, quasi-stationary model, capacity. I. INTRODUCCIÓN En cursos de electricidad básica y de electromagnetismo se presenta un modelo de campo para describir los fenómenos electrostáticos. Este modelo es habitualmente el primer modelo para los estudiantes y es lógico, claro y describe múltiples situaciones, lo que lleva a muchos estudiantes a tomarlo como un paradigma general de los fenómenos eléctricos. En particular, en este modelo no existe campo eléctrico ni movimiento de carga dentro de los cuerpos conductores, y la presencia de campo en el entorno de una partícula cargada genera sobre ella una fuerza coulombiana que está asociada con una aceleración de acuerdo a las leyes de la mecánica clásica. Cuando luego se presenta el modelo de flujo de corriente estacionaria o continua, surge que hay campo dentro de los cuerpos conductores y hay movimiento de carga. La mayoría de las presentaciones usan como imagen o paradigma a los conductores metálicos, donde los portadores de carga son los electrones cuasi-libres. A pesar de la presencia de campo no existe una fuerza neta sobre las partículas cargadas, que se mueven a velocidad (macroscópica) constante. Aún cuando en algunas presentaciones se discute una versión simplificada del modelo de Drude de la conducción eléctrica en metales, * e-mail: jcfernan@fi.uba.ar esta presentación es cualitativa y no se refleja en las ecuaciones del modelo, cuya ley fenomenológica más importante es la ley de Ohm. Otra dificultad conceptual surge por la aparición de la noción de fuerza electromotriz (fem), ligada con la presencia de campos no conservativos en partes del circuito, y su relación con la noción previa de diferencia de potencial, que surge en el contexto electrostático pero sigue siendo válida dentro de los conductores del circuito en corriente continua. Finalmente, la teoría de circuitos para bajas frecuencias utiliza parámetros como la capacidad y la inductancia que se calculan con métodos usados para campos eléctricos y magnéticos estáticos. Todas estas características pueden ser objeto de confusión para el estudiante. En los últimos años varios autores han publicado artículos (1-2) y libros (3) destinados a presentar una visión unificada de ambos fenómenos. La introducción de la noción de las cargas superficiales (4-6) como fuentes del campo eléctrico responsable del flujo de corriente también ha creado un puente entre las dos descripciones que facilita su comprensión. Dentro de esta filosofía el presente trabajo trata de describir un problema usando ideas y conceptos del
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