Duda con caída de tensión y campo eléctrico

[Chusg]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Segundo: las cargas (ni cualquier fuente de cualquier campo) no tienen por qué estar próximas a un campo no nulo. Ahí estás diciendo una barbaridad. Piénsatelo, por favor. Estás cargándote las ecuaciones de Maxwell.

Fíjate que puse lo de "próximas" entre comillas. No me estoy cargando nada. Simplemente era para señalar que la fuente del campo que hay en medio del circuito no pueden ser cargas que haya en el generador.

Tercero: en los artículos que mencionas no se habla del problema ideal de corriente continua que estamos tratando aquí. Se habla del campo exterior al circuito, de efectos no estacionarios que conllevan inducción electromagnética, de efectos de borde... Nada de esto ayuda a entender, repito, el problema que aquí de plantea. Por cierto, aunque los he leído muy por encima, me parecen obvios y ridículos (en el sentido de pretender resolver un problema resuelto hace más de cien años).

Me temo que los has leido demasiado por encima y te has hecho una idea equivocada de lo que tratan. Por favor, lee alguno con más detenimiento. Hablan precisamente de que la fuente del campo eléctrico en un circuito de corriente continua en estado estacionario (tanto el campo de fuera como el de dentro del conductor) es una densidad de carga superficial no nula y no uniforme en el conductor. Las referencias al transitorio son para explicar como se llega al estado estacionario. Por si no te apetece leerlos, transcribo un par de párrafos del primero y del segundo (aunque mejor lee los artículos no vayas a pensar que he sacado las frases de contexto):

"El gradiente de la densidad de carga superficial, en la superficie de los elementos resistivos, crea el campo eléctrico que produce la corriente que circula en su interior. Es este campo eléctrico el origen de la diferencia de potencial a lo largo del elemento resistivo".

"... Kirchhoff put the driving charge gradient on the surface of the conductors and showed that electrostatic and circuit phenomena belonged to one science, not two. Unfortunately, this unification was later lost sight of as the role of potential came to dominate the analysis of circuits, and the surface charges disappeared from view."

Por último, deberíamos abrir un hilo nuevo para esto pues no ayudamos para nada a quien expone la duda.

Sugiero que sea quien expuso la duda quien decida si le ayuda o no.

Saludos

[polonio]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Con lo de próximas te sigues cargando todo.

Después de leer los artículos más detenidamente y de subrayarme semejantes burradas me parecen más ridículos. Los efectos de las cargas superficiales serían, en todo caso, un efecto de borde secundario y no la causa del movimiento de las cargas en un conductor. ¡Es ridículo y mentira sugerir que así sea! La diferencia de potencial es lo que hace que haya un campo y una corriente entre un borne y otro. Para que haya una corriente superficial ha de haber un importante campo eléctrico por fuera del circuito... ¿dónde demonios se ha medido esto alguna vez? ¿Qué circuito podría ser útil funcionando así? En uno de los artículos se propone un circuito con varias resistencias en serie de ¡$\dst 80\times 10^6\, \Omega$! para poder ver algún efecto. Con esas resistencias se ha de poner tal diferencia de potencia para que haya una corriente apreciable que no sé cómo no se rompe a pedazos el material. Por otra parte no veo por ningún sitio en los artículos ningún balance energético (teorema de Poynting) hecho en condiciones. Tampoco se expone un montaje experimental claro ni se muestran datos experimentales bien recogidos para poder reproducir el experimento y confrontarlo. ¡Eso no es serio, hombre!

Lo del gradiente de carga ya te dije, y sigo manteniendo, que es una elección poco adecuada. Por otra parte, para que veas la seriedad de los artículos (esos "grandes didactas de la ciencia" que aparecen ahora reformulando lo ya bien explicado para darse nombre porque no son capaces de llegar a nada más) está llenos de faltas de ortografía. ¿Y van a ser capaces de usar bien gradiente en castellano?

[Chusg]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

1- Son los artículos que he encontrado en una búsqueda rápida en google, pues en este momento no tengo acceso a otras fuentes, pero si revisas las referencias verás que aparecen artículos de revistas reconocidas.

2- La explicación que dan no contradice la descripción basada en la diferencia de potencial, sólo aclara mejor cómo se establece esa diferencia de potencial.

3- Otro artículo de otro autor distinto, incidiendo en lo mismo y con referencias a trabajos experimentales:

http://omnis.if.ufrj.br/~dore/Fis3old/Poynting-AJP.pdf

donde dice:
"Jefimenko experimentally confirmed and visualized the surface charges of current-carrying conducting wires that produce an electric field. This result for a charged wire was surprising because most instructors presume that current carrying wires are electrically neutral ~locally!, or at least do not mention this fact. Model calculations
of the surface charge for an infinite wire and for conductors of other geometries carrying direct current as well as RC circuits have been done".

Si fuera "ridículo y mentira" parece raro que haya tantos artículos de distintos autores que coincidan en lo mismo. En cualquier caso, si no estás de acuerdo con lo que dicen estos artículos (que repito, no contradicen nada conocido, solo aclaran ciertas cosas) convendría que los rebatieras con argumentos más sólidos.

[polonio]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Si tú supieras la de gente que hay ahondando en tonterías... Los artículos se publican en revistas que no es que tengan mucho prestigio que digamos. Y son muy pocos los que ven este modelo así. Busca en contra de estos argumentos y verás.

Te he dado argumentos (aunque con algún sarcasmo, no te molestes), pero son ellos los que no dan ninguno válido. Y, no, no hay ningún experimento ni datos experimentales reales en ninguno de lo artículos (ni tan siquiera simulaciones). Así que no aclaran nada, sino emborronan na imagen bien clara con efectos locales.

Si quieres más argumentos puedes leerlos en cualquier manual de electromagnetismo. Pero te doy uno solo: si la corriente en un circuito de continua la explican mediante cargas superficiales, ¿cómo es que el campo -externo- que producirían estas cargas no se mide en los laboratorios? ¿Y cómo se supone que tienen lugar las corrientes dentro del conductor?

Vamos, que si son otros los que dan una nueva visión de alguna teoría son ellos los que deben aportar datos claros e inequívocos. Ya me puedo limitar a lo ya bien establecido.

[polonio]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Por cierto, se me ha olvidado comentar que lo que tratan de hacer es explicar un circuito de corriente continua mediante parámetros distribuidos: estos modelos sólo valen para líneas de transmisión en las que se propaga una onda electromagnética y los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a los conductores (y hacen falta más de uno para que se transmita la onda). Esto no es válido para explicar el movimiento de carga (corriente).

[Chusg]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Es que ellos no van en contra de la física establecida, sólo complementan la explicación "estandar" que dan los libros de texto, que no es que esté mal, sino que a mi modo de ver es incompleta o no aclara ciertas cosas.

Sobre si se han podido medir o no los campos que existirían por fuera del cable, en algunos artículos dan referencias a revistas "de las buenas" donde al parecer se mostraría esto. No tengo acceso desde mi casa a esos trabajos para verificarlos ya que no estoy suscrito a esas revistas, pero no negaría yo tan alegremente antes de consultar las referencias. Supongo que esos campos serían relativamente pequeños como para producir fenómenos electrostáticos importantes a menos que la ddp fuera muy grande.

Intentaré encontrar alguna de esas referencias, pero lo de las cargas superficiales no me parece nada descabellado y creo que en principio no contradice la teoría conocida. Es más, respondería a algunas cuestiones a las que de otro modo no encuentro explicación satisfactoria.

Por otra parte, aunque sé que esto no sirve como argumento, el hecho de que un catedrático de electromagnetismo de una facultad de Física me diera esa explicación me inspira bastante confianza. Iñiguez de la Torre, de la universidad de Salamanca, para más señas (el padre, no el hijo que se llama igual).

EDIT: "Physics Letters A" no es ninguna revistilla de tres al cuarto. Aunque no puedo ver el artículo completo y el tema principal parece otro, fíjate en esta frase del abstract:
"...apart from the well-known surface charge distribution (needed for a steady current along the conductor wire length)..." Al parecer el artículo dice que no hay otras cargas en el cable aparte de esas, pero esas las da por bien conocidas.
http://www.sciencedirect.com/science...7596019390839R

Y aunque no es de una revista, ahí va otro sitio donde hablan de lo mismo (no he podido leerlo, lo haré cuando tenga tiempo):
http://www.astrophysik.uni-kiel.de/~...oltage_IRL.pdf

Y otro artículo de J.D.Jackson. Si es el mismo JD Jackson autor de "Clasical Electrodynamics" no es un don nadie, sino uno de los autores más reconocidos en el campo del electromagnetismo (su libro de electrodinámica se considera una referencia en las facultades de física en todo el mundo). Me resulta difícil creer que este hombre cometiera un error tan burdo.
http://ajp.aapt.org/resource/1/ajpia...sAuthorized=no

Muchas y diversas referencias parece haber al tema como para tacharlo directamente de falso y absurdo, me parece a mí.

[polonio]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Es que ellos no van en contra de la física establecida, sólo complementan la explicación "estandar" que dan los libros de texto, que no es que esté mal, sino que a mi modo de ver es incompleta o no aclara ciertas cosas.

Esos artículos no dan la misma explicación que dan en los artículos que mencionaste primero ni dan la misma interpretación: Jackson habla de terner en cuenta las corrientes que superficiales que aparecen cuando estudias de forma exahustiva el problema... ¡nunca que sea la explicación de cómo se produce la corriente! que es lo que se decía en dos de los artículos que enlazaste primero y con los que no estoy de acuerdo en absoluto.

Resumo: en el problema que se nos plantea aquí las cargas superficiales en el conductor no pintan nada. Tener en cuenta estos efectos de borde es un problema muy bonito que complementan (estoy de acuerdo contigo) la causa principal de la corriente. Pero no ayuda a entenderlo. Jackson (concienzudo donde los haya) trata que el problema de forma más completa perfectamente. Es conocido el detallismo de Jackson tratando los problemas electromagnéticos (y me encanta).

¡Ah!, me encanta el libro de Jackson, de los mejores manuales de electromagnetismo. Pero, para ciertos niveles es una pasada. Y los primeros artículos que mencionas confunden un efecto secundario, insisto, con la causa principal de la corriente (evidenciados por una pérdida total de referencias experimentales).

Así que me reafirmo en lo absurdo y falso que hay al tratar de explicar mediante parámetros distribuidos una corriente continua y en tratar de explicar la causa de la corriente con un efecto secundario que contribuye a la misma.

[Chusg]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Polonio y yo debemos estar leyendo cosas distintas.

A mí me parece que estos artículos, aunque hablen también de otras cosas, coinciden en esencia con los artículos anteriores. Nada más empezar, en el de Hartel se dice: "Surface charges are present, whenever a wire carries an electric current and are necessary for a causal explanation of how an electric current actually works".

En artículo del physics letters, aunque el tema principal es otro, hace referencia a “la bien conocida distribución superficial de carga necesaria para una corriente estacionaria a lo largo de la longitud del conductor” (traduzco literalmente).

Lamentablemente no puedo ver el texto completo del artículo de Jackson, pero el abstract dice claramente:
"the conductors of a current‐carrying circuit must have nonuniform surface charge densities on them (1) to maintain the potential around the circuit, (2) to provide the electric field in the space outside the conductors, and (3) to assure the confined flow of current". Y al final aclara que "The discussion is in terms of time‐independent currents and voltages, but applies also to low‐frequency ac circuits".

Tampoco es cierto que los primeros artículos no den ninguna referencia experimental, varios citan a ese tal Jefimenko. Otra cosa es que no te creas esa referencia o pienses que la están malinterpretando.

En definitiva, yo también me reafirmo en mi postura de que me parece muy plausible la explicación de la carga superficial como fuente del campo eléctrico dentro del circuito (lo cual no está reñido con que haya una diferencia de potencial, por supuesto, ni son tampoco dos fenómenos diferentes, sino que es mediante esa distribución de carga como se establece el gradiente de potencial a lo largo del cable). Un campo eléctrico en un circuito no es conceptualmente diferente de un campo eléctrico en electrostática: ambos tienen unas fuentes que son distribuciones de carga, y que se atienen en última instancia a la ley de Coulomb (y a las de Maxwell, por supuesto). En el caso de un circuito, esas cargas-fuente no pueden estar únicamente en el generador, sino que deben estar a lo largo del cable, ya dí argumentos de por qué esto es así.

Pero en fin, que cada uno saque sus propias conclusiones de los artículos y decida qué imagen o interpretación le parece más coherente.

[polonio]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Tampoco estamos tan en desacuerdo como crees (sobre todo cuando haces referencias a Jackson ) pero lo que leo en tu último post difiere claramente de las exposición que inicialmente hiciste.

En otras no podemos estar de acuerdo: todos los artículos que mencionas no son igualmente aceptables para hablar de un circuito de corriente continua. Y lo del circuito equivalente a base de parámetros distribuidos no es válido, como te dije, para explicar este fenómeno sino para construir una guía de ondas con ¡dos circuitos en paralelo!... ¿qué pintan estos artículos en la explicación de la corriente en sí? Lo que explica es la construcción más simple de guía de onda: dos conductores en paralelo (léelo bien). Pero esto no vale (es ridículo) para un solo circuito.

Pero bueno, volviendo a los artículos que hablan de un solo circuito, sigo viendo el tema de las distribuciones superficiales de carga como un refinamiento demasiado grande como para que ayude a entender el concepto básico de la corriente continua en un circuito. Y, desde luego, no es la causa (a lo mejor tú nunca has dicho esto y lo he interpretado yo así) de que se produzca la corriente sino un efecto más que ayuda a explicar (de forma muy detallada) alguno de los fenómenos que tan bien especifica Jackson y que uno simplemente ignora cuando se desprecian efectos de borde. No veo didáctico, para nada, incluir efectos de borde en el estudio básico del electromagnetismo y sí necesario a partir de cierto nivel (cosa que se escapa totalmente del espíritu inicial del hilo, creo yo)... ¡si vas a construir guías de onda!

[Chusg]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

No veo en qué sentido difiere mi último post de la exposición que hice inicialmente. Tampoco llegaste a explicar por qué pensabas que yo estaba cargándome las leyes de Maxwell.

Lo que expuse o trataba de exponer, y lo que plantean en esencia los primeros artículos que enlacé, es que en el estado estacionario la carga superficial en el conductor es la fuente del campo eléctrico que hay en el interior del mismo. Por supuesto que si hay un campo eléctrico también hay un gradiente de potencial (por definición), pero ambas cosas (potencial y campo eléctrico) son dos formas de expresar la misma cosa, no una la consecuencia de la otra. La causa última de que se establezca la distribución de cargas y el campo eléctrico en el cable es el generador, pero las cargas superficiales me parecen la única manera de entender cómo se forma un campo en el interior del conductor que es constante y sigue la dirección del cable en todos los puntos, y por lo tanto no me parece una cuestión secundaria desde el punto de vista didáctico y conceptual. Además parece que quien abrió el hilo, según ha manifestado después, iba buscando alguna explicación en esa línea.

No sé si estaremos o no de acuerdo hasta aquí, pero así es como yo lo veo, es lo que deduzco de lo que he leido, lo que mejor me encaja conceptualmente y es como me lo explicó en su día este profesor: http://web.usal.es/~nacho/index.html

[polonio]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Cuando dijiste esto (te lo dijimos Al y yo):

Un campo eléctrico en un cierto punto del espacio tiene que estar causado por algo. O bien es de tipo "electrostático", es decir, generado por cargas, o bien es un campo eléctrico inducido por una variación de flujo magnético. Si no hay inducción electromagnética alguna, la única explicación que veo es que haya densidades de carga "en algún sitio" que están creando el campo eléctrico. Y no son las del generador, ya que éste puede estar muy lejos y además su orientación respecto a un punto del circuito no modifica el campo eléctrico en ese punto. Por tanto debe haber densidades de carga "próximas" a ese punto, en el propio conductor.

Las fuentes del campo no tienen porqué estar próximas al campo en un punto y pueden estar perfectamente (que es para mí la causa principal de la corriente) en los bornes del generador. Y, a partir de aquí, es cuando ya no entendía lo que querías decir. Es como decir que en el vacío no puede haber campo eléctrico porque no hay cargas próximas. O entre las armaduras de un condensador (auqnue éstas sí están cerca). Ahora sí veo lo que quieres decir (que no es ninguna burrada). Pero sigo pensando lo mismo

Una imagen más o menos clara (es una analogía, con todas las simplificaciones que conlleva): si por una manguera (sin agujeros ni entradas extras) circula agua es por el caudal que se da del grifo a la salida, no porque moléculas de agua se acumulen sobre la superficie de la manguera empujando el agua de dentro en sentido de la corriente. Si en lugar de una manguera tenemos un chorro de agua libre (desde el grifo hacia abajo) pasa lo mismo. Por mucho que sea digno de estudiar el efecto del agua que se distribuye sobre las superficies del chorro de agua y que pueda ayudar a la corriente no es esto lo que causa la corriente (aunque la tensión superficial del agua ayude a que el chorro no se desparrame), sino el campo gravitatorio (gradiente de potencial) entre el grifo y el desagüe (los bornes).

Insisto: muy bonito ver que se da una acumulación de carga superficial (que se ponen de manifiesto macroscópicamente, para tensiones de $5000\,V$ con varias resistencias en serie de $80\, M\Omega$ cada una) pero no es la causa de una corriente: es la diferencia de potencial entre los bornes (por muy largo que sea el circuito) la que crea una densidad de corriente en el conductor y un campo paralelo a ésta (por la ley de Ohm $\vec{J}=\sigma \vec{E}$) y el campo se mantiene confinado en el conductor porque los electrones libres del conductor están confinados en el propio medio (la conductividad exterior es nula) no porque cargas superficiales lo empujen hacia dentro.

[mruize85]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Con permiso de los ponentes me entrometo en la discusión porque creo que entiendo cual es el motivo de la discordia. Pido disculpas por adelantado si mis comentarios son inoportunos.

Retomo el ejemplo de la manguera y el agua. La bomba realiza una fuerza sobre el agua para moverla a través de la manguera. Esta fuerza es análoga a la realizada por el campo eléctrico. Al mismo tiempo, la manguera realiza una fuerza de rozamiento sobre las partículas del agua (resistencia eléctrica) y otra fuerza para mantener el agua dentro de sus paredes y cambiar su sentido en las curvas.

Sin esta fuerza el agua no se mantendría dentro de la manguera ni seguiría su trayectoria en caso de no ser perfectamente recta. Esta fuerza que mantiene el agua dentro de la manguera, en el caso eléctrico la corriente dentro del conductor, es la que creo que Chusg propone como producida por una distribución de cargas superficial.

Una batería en el vacío crea un campo electromagnético de forma perfectamente determinada. Cuando introducimos un conductor, sin embargo, la forma de dicho campo se ve alterada de modo que sigue todas las formas y figuras que éste pueda tomar, sin importar lo caprichosas que puedan ser.

Para que esto sea posible "algo" debe cambiar la forma del campo original. Este "algo" son las cargas libres que hay en el interior del conductor, que se distribuyen sobre su superficie hasta llegar al equilibrio eléctrico permitiendo que la corriente circule por su interior "sin salirse por las paredes".

Mis respetos.

[Chusg]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Hola, por supuesto que cualquier aportación al tema es bienvenida. Polonio y yo no tenemos el monopolio del hilo.

En general no me gustan demasiado los símiles porque tienen sus limitaciones y a veces no es fácil saber hasta dónde podemos considerar que dos sistemas son equivalentes, puede haber diferencias conceptuales que no son evidentes a primera vista. El caso de la corriente de agua es similar a la corriente eléctrica en algunos aspectos, pero no en otros.

Estoy totalmente de acuerdo con esto:

Una batería en el vacío crea un campo electromagnético de forma perfectamente determinada. Cuando introducimos un conductor, sin embargo, la forma de dicho campo se ve alterada de modo que sigue todas las formas y figuras que éste pueda tomar, sin importar lo caprichosas que puedan ser.

Para que esto sea posible "algo" debe cambiar la forma del campo original. Este "algo" son las cargas libres que hay en el interior del conductor, que se distribuyen sobre su superficie hasta llegar al equilibrio eléctrico permitiendo que la corriente circule por su interior.

En lo que al parecer no estamos de acuerdo polonio y yo, es que él piensa que la contribución de la carga superficial al campo eléctrico en el interior del conductor es muy pequeña, mientras que a mi modo de ver, es precisamente la fuente del campo (salvo quizá en los extremos del cable). Esto no quiere decir que sea la causa primera de que exista corriente, ésta habría que buscarla evidentemente en el generador porque si no hay generador no hay corriente, pero la fuente del campo eléctrico en un punto arbitrario del conductor no son directamente las cargas que haya en el generador, sino la distribución de carga superficial que resulta tras conectar el cable al generador.

Los artículos que calculan la distribución de carga superficial en geometrías sencillas se basan en esta suposición, independientemente de que el método concreto que utilicen sea más o menos correcto. Lo que hacen es precisamente calcular cómo tiene que ser la distribución de carga superficial para que el campo creado por ella sea el campo que hay en el interior del conductor (que sabemos que es uniforme y sigue la dirección de la corriente). Aunque no puedo ver el de Jackson apuesto a que en el fondo también es eso lo que hace.

[Julián]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

Con que se refieren que es la carga superficial. ¿A la densidad de corriente del conductor?, es decir la cantidad de carga que por unidad de superficie tiene una velocidad de arrastre

En lo que al parecer no estamos de acuerdo polonio y yo, es que él piensa que la contribución de la carga superficial al campo eléctrico en el interior del conductor es muy pequeña, mientras que a mi modo de ver, es precisamente la fuente del campo (salvo quizá en los extremos del cable

Yo creo que la fuerza que sienten las cargas en el interior del conductor (salvo en los extremos), es el campo eléctrico de las cargas que se encuentran a una distancia $dx$ de las primeras, y que se desplazan a una velocidad de arrastre ${v}_{d }$ ; cantidad de movimiento que le transfieren a las primeras cargas, estas a su vez impulsan a las cargas que se encuentran a una distancia $- dx$, y de esta manera se establece la corriente. El comienzo o el principio de donde se establece la corriente son los bornes de la fuente, cuya densidad de carga es mayor, por lo que tiene un mayor potencial y produce un campo eléctrico, que se configura según la forma del conductor.

[yayo]

Re: Duda con caída de tensión y campo eléctrico

hola, creo que lo mas sencillo seria primero resolver tu duda respecto a la disminucion del potencial: lo cierto es que la energia potencial de un campo cualquiera cte, aumenta o disminuye con la distancia, como por ej, la Ep = mgh, (gravitatoria, si g es 9,8 m/s2)
asi pues el potencial electrico aumenta o disminuye con el movimiento de las cargas.

ahora bien en un circuito cerrado la diferencia de potencial seria cero, pues las cargas llegan al mismo sitio: es como si movieses la masa anterior de una altura a otro sitio pero a la misma altura.

lo que ocurre entonces es que en el circuito hay dos campos uno conservativo que actua en todo el circuito, (como la gravedad), y otro no conservativo que actua dentro de la bateria, este ultimo campo no conserva la energia por lo tanto produce una diferencia de potencial distinta de cero aunque las cargas recorran un circuito cerrado, es como si en dos puntos a la misma altura tuvieses un mecanismo como un "diablillo", que empujase la masa, entonces entre esos dos puntos a la misma altura habria una diferencia de energia potencial.

nota aparte: perdon por los acentos¡