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Capacidad de un condensador cilíndrico GIA

De Laplace

1 Enunciado

Calcular la capacidad de un condensador cilíndrico de radio interior R1, radio exterior R2 y longitud L suponiendo que R_1<R_2\ll L.

Si se sumerge parcialmente en líquido dieléctrico lineal, ¿cuál es su nueva capacidad? ¿Cómo cambia la energía acumulada en el condensador?

Archivo:cond_cilind.gif

2 Solución

El condensador cilíndrico o coaxial está formado por dos superficies conductoras cilíndricas coaxiales C1 y C2, de radios R1 y R2, respectivamente, separadas por un medio no conductor. Ambas tienen igual longitud L, que deberá ser significativamente mayor que los radios de las superficies para poder considerar que las cargas eléctricas se distribuyen uniformemente en ellas. Además, para poder asegurar que se encuentran en influencia total o próximos a ella (requisito para que formen un condensador), es conveniente que la distancia de separación entre las placas sea suficientemente menor que el radio de la superficie interior; es decir, R_2-R_1\ll R_1.

Si se cumplen las condiciones geométricas expresadas anteriormente, cuando las placas se encuentran cargadas y a diferente potencial, todas las líneas de campo eléctrico que salen de la superficie C1 terminan en la C2. Esto se traduce en que ambas superficies van a almacenar cantidades opuestas de carga eléctrica. Además, la verificación simultánea de las condiciones geométricas

R_2-R_1\ll R_1\ll L

nos permite realizar una serie de simplificaciones sobre cómo van a distribuirse las cargas en las superficies conductoras y cómo es el campo eléctrico en el sistema, sin que estas aproximaciones afecten significativamente al resultado que obtendremos para la capacidad eléctrica. Así, consideraremos que una cantidad Q de carga en el conductor interior C1 se distribuirá uniformemente en la superficie de este se distribuirá uniformemente en la superfie enfrentada al C2. Y por estar en influencia total, en la correspondiente superficie de este conductor existirá una cantidad opuesta de carga, también distribuida uniformemente. Es decir, en las superficie enfrentadas de C1 y C2 existen sendas densidades superficiales de carga, constantes:

\sigma_e\big\rfloor_{\mathrm{C}_1}=\frac{Q}{2\pi L R_1}\ \mathrm{;}\quad\quad \sigma_e\big\rfloor_{\mathrm{C}_2}=-\frac{Q}{2\pi L R_2}\,\mathrm{,}\,

despreciándose las acumulaciones de carga en los bordes de dichas superficies (efectos de borde).

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