Supuesto 33
Enunciado
Un cable coaxial (radio ) tiene una densidad de carga (superficial, uniforme y negativa) en su superficie externa. Dicho cable lleva una densidad de carga (volumétrica, uniforme y positiva) en un cilindro interno (radio ). El cable es neutro.
- a) Determina el campo eléctrico en las distintas zonas del espacio. (5 puntos)
- b) Determina el potencial eléctrico en las distintas zonas del espacio. (3,5 puntos)
- c) Dibuja una gráfica de campo frente a la distancia perpendicular del eje. (1,5 puntos)
Solución
Simetría y superficie gaussiana
La distribución tiene simetría cilíndrica y se supone de longitud indefinida, de modo que el campo es radial y su módulo depende solo de la distancia al eje, . La superficie gaussiana adecuada es un cilindro coaxial de radio y longitud ; el flujo a través de sus bases es nulo (campo paralelo a ellas) y a través de la cara lateral vale .
La carga por unidad de longitud del conductor interno es . La condición de neutralidad fija la densidad superficial externa:
negativa, como indica el enunciado.
a) Campo eléctrico por regiones
Zona interna (). La carga encerrada es :
Crece linealmente desde cero en el eje, porque al alejarse aumenta la carga encerrada más deprisa de lo que se diluye el flujo.
Zona intermedia (). Toda la carga positiva queda encerrada, :
Decae como , el resultado clásico de un hilo cargado. En ambas expresiones coinciden, : el campo es continuo, como debe ser al no haber densidad superficial en .
Zona externa (). La carga total encerrada es nula por ser el cable neutro:
Este es el apantallamiento característico del cable coaxial: fuera de él no hay campo, lo que lo hace idóneo para transportar señal sin radiar ni captar interferencias. En hay una discontinuidad de valor , coherente con la densidad superficial de carga.
b) Potencial eléctrico por regiones
Como para , el potencial es constante fuera del cable; se elige el origen ahí, que es además el valor en el infinito: . Se integra .
Zona intermedia ():
Zona interna (): se acumulan las dos contribuciones,
El potencial es máximo en el eje, , y decrece de forma monótona hasta anularse en , como corresponde a un campo dirigido hacia fuera. Las tres expresiones empalman con continuidad en y : el potencial es siempre continuo, aunque el campo no lo sea.
c) Gráfica del campo
Problema 6
Módulo del campo eléctrico frente a la distancia al eje
supuesto-progress
Crea cuenta gratisResolución en PDF
Necesitas un correo para acceder. Sin contraseñas, sin coste. Te enviamos un enlace mágico.