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Resistor con dos capas

De Laplace

Contenido

1 Enunciado

Se tiene un dispositivo formado por dos placas metálicas perfectamente conductoras, de sección cuadrada de lado L=10\,\mathrm{cm} situadas paralelamente a 4\,mm de distancia

Entre las placas se encuentran dos capas de dieléctricos no ideales de espesor a_1=3\,\mathrm{mm} y a_2=1\,\mathrm{mm}, respectivamente, de permitividades \varepsilon_1 = 10\,\mathrm{pF}/\mathrm{m} y \varepsilon_2=30\,\mathrm{pF}/\mathrm{m} y conductividades \sigma_1=6\,\mathrm{mS}/\mathrm{m} y \sigma_2=2\,\mathrm{mS}/\mathrm{m}. Se aplica un voltaje constante entre las placas V_0 = 12\,\mathrm{V}.

  1. Determine el valor de la densidad de corriente, el campo eléctrico y el vector desplazamiento en todos los puntos entre las placas.
  2. Halle la intensidad de corriente que atraviesa el dispositivo.
  3. Calcule las densidades de carga libre en todos los medios y superficies del sistema, así como la carga libre total acumulada en cada uno de los medios y superficies.
  4. Halle la potencia disipada y la energía almacenada en el sistema.
Archivo:resistor-dos-capas.png

2 Densidades de corriente y campos

Este sistema es uno de corrientes estacionarias, al estar las placas sometidas a una diferencia de potencial constante. Por ello, lo que va a determinar la distribución de los campos son las conductividades de los medios. El sistema equivale a dos resistencias puestas en serie para el cálculo de la densidad de corriente y el campo eléctrico.

En principio tenemos, para cada medio, las ecuaciones

\nabla\cdot\mathbf{J}_i = -\frac{\partial\rho}{\partial t} = 0\qquad\nabla\times\mathbf{E}_i = \mathbf{0}\qquad \mathbf{J}_i=\sigma\mathbf{E}_i

Sin embargo, dado que la anchura de las placas es mucho mayor que la distancia entre ellas, podemos despreciar los efecto de borde y suponer que los campos van en la dirección perpendicular a las placas, que tomaremos como eje Z

\mathbf{E}_i = E_i\mathbf{u}_z\qquad\mathbf{J}_i = J_i\mathbf{u}_z


3 Intensidad de corriente

4 Carga libre

5 Potencia y energía

6 Solución mediante el circuito equivalente

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