Electromagnetismo

Campo eléctrico

La ley de Coulomb

El motor de Franklin

Campo y potencial de
una carga puntual

Campo y potencial
de dos cargas

Dipolo eléctrico

Línea de cargas.
Ley de Gauss.

Modelo atómico de
  Kelvin-Thomson

La cubeta de Faraday.
Conductores

Generador de
Van de Graaf

Carga inducida en un
conductor

Esfera conductora en un
campo uniforme

Un péndulo que descarga
un condensador.

Condensador plano-
paralelo

Condensador cilíndrico

Condensador con un
dieléctrico.

Fuerza sobre un 
dieléctrico

Carga y descarga de un
condensador

Potencial a una distancia r del centro de la esfera cargada

Energía potencial de una distribución de cargas

Energía total del átomo de Kelvin-Thomson

Movimiento del electrón en el átomo de Kelvin-Thomson

Actividades

Actualmente, los libros de texto no suelen mencionar el átomo de Kelvin-Thomson. Sin embargo, durante el periodo que va de 1902 a1906 tuvo bastante éxito, hasta que Rutherford demostró que este modelo no podía explicar la dispersión de las partículas alfa por los átomos de una lámina de oro.

Este modelo simple de átomo explicaba bastante bien la valencia química, la emisión de partículas b por los núcleos de elementos radioactivos, etc.

El aspecto didáctico más importante es la aplicación de la ley de Gauss a una distribución esférica y uniforme de carga, y describir el movimiento oscilatorio de los electrones en dicho átomo.

Consideramos el modelo más simple, un átomo o ion hidrogenoide con un solo electrón. Suponemos que el átomo tiene forma esférica de radio R, y que la carga positiva Q está uniformemente distribuida en dicha esfera.

El teorema de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga en el interior de dicha superficie dividido entre e₀.

Para una distribución uniforme de carga indefinida cargada, la aplicación del teorema de Gauss requiere los siguientes pasos:

1.-A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico.

La distribución de carga tiene simetría esférica luego, la dirección del campo es radial

2.-Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo Tomamos como superficie cerrada, una esfera de radio r. El campo eléctrico E es paralelo al vector superficie dS, y el campo es constante en todos los puntos de la superficie esférica como se ve en la figura, por lo que, El flujo total es por tanto; E4p r2

3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada

• Para r<R. (figura de la izquierda)

Si estamos calculando el campo en el interior de la esfera uniformemente cargada, la carga en el interior de la superficie esférica de radio r es una parte de la carga total (en color rosado), que se calcula multiplicando la densidad de carga por el volumen de la esfera de radio r.

• Para r>R (figura de la derecha)

Si estamos calculando el campo en el exterior de la esfera uniformemente cargada, la carga en el interior de la superficie esférica de radio r es la carga total q=Q.

4.-Aplicar el teorema de Gauss y despejar el módulo del campo eléctrico

Se obtiene

El campo en el exterior de una esfera cargada con carga Q, tiene la misma expresión que el campo producido por una carga puntual Q situada en su centro.

Se denomina potencial en un punto P a una distancia r del centro de la esfera cargada V(r) a la diferencia de potencial existente entre el punto P y el infinito V(r)-V(¥ ). Por convenio se establece en el infinito el nivel cero de energía potencial.

• Si r>R. Para hallar el potencial en un punto P que está fuera de la esfera cargada basta hallar el área sombreada (figura de la derecha)

• Para r<R. Para calcular el potencial en un punto P, en el interior de la esfera cargada, es necesario calcular dos áreas, por ser la función que describe la dependencia del campo E en r, discontinua en el punto r=R. (figura de la izquierda)

La energía de ionización, es la energía mínima necesaria para sacar al electrón situado en el origen de la esfera cargada hasta el infinito.

Para un átomo con un electrón q=Q=e=1.6 10^-19 C. R» 10^-10 m. W₁=3.456 10^-18 J=21.6 eV.

Que es algo mayor que la energía de ionización del electrón en un átomo de hidrógeno en el estado fundamental, 13.6 eV.

Energía potencial de una distribución de cargas

Vamos a calcular ahora la energía necesaria para formar la distribución uniforme de carga positiva. O bien, la energía que se liberaría cuando la distribución uniforme de carga positiva explotase de modo que cada parte de ella estuviese a una distancia infinita de la otra.

Determinaremos la expresión de la energía de un sistema de tres cargas, y la generalizamos para una distribución continua de carga.

Consideremos un sistema de tres cargas puntuales fijas q₁, q₂ y q₃, tal como se indica en la figura.

La energía de este sistema U vale

Llamando V₁ al potencial producido por las cargas q₂ y q₃ en la posición que ocupa q₁. La energía de la carga q₁ en el campo producido por las otras dos es

Análogamente, llamando V₂ al potencial producido por las cargas q₁ y q₃ en la posición que ocupa q₂. La energía de la carga q₂ en el campo producido por las otras dos es

Del mismo modo, llamando V₃ al potencial producido por las cargas q₁ y q₂ en la posición que ocupa q₃. La energía de la carga q₃ en el campo producido por las otras dos es

Sumando estas tres contribuciones obtenemos el doble de la energía del sistema de partículas

Energía de la esfera cargada

Volviendo de nuevo a la esfera uniformemente cargada el potencial V_i se sustituye por el potencial en la posición r, V(r) que hemos calculado previamente.

La carga q_i se sustituye por la carga que hay en la capa esférica comprendida entre r y r+dr. El volumen de dicha capa esférica es 4p r²dr, y la carga que hay en este volumen vale (densidad de carga por volumen)

La energía vale entonces

Energía total del átomo de Kelvin-Thomson

La energía total de nuestro modelo de átomo de hidrógeno Q=q=e, es la diferencia entre dos energías: la energía necesaria para formar la distribución uniforme de carga positiva W₂, y la energía necesaria para sacar el electrón de la atracción de dicha carga W₁ (energía de ionización)

Supongamos que el electrón se puede mover libremente en el interior de la distribución esférica de carga positiva. En un instante dado, se encuentra a una distancia x del centro de dicha distribución.

Aplicando la ley de Gauss (r<R) hemos obtenido la expresión del campo eléctrico creado por la distribución de carga positiva a la distancia r=x del centro. Dicho campo tiene dirección radial y sentido hacia afuera.

La fuerza sobre electrón es el producto de la carga por el campo. Tiene dirección radial y sentido (atractivo) hacia el centro de la distribución de carga positiva. Como vemos la fuerza es proporcional al desplazamiento x y de sentido contrario a este. Una clara indicación de que el electrón describirá un M.A.S.

cuya frecuencia angular vale

Para un átomo con un electrón q=Q=e=1.6 10^-19 C. R» 10^-10 m, y m=9.1 10^-31 kg. Se obtiene u =2p w =2.53 10¹⁵ Hz. Cuando un electrón pasa del primer estado excitado al estado fundamental emite radiación de frecuencia 2.47 10¹⁵ Hz. Como vemos la frecuencia de su movimiento es del orden de las frecuencias del espectro de hidrógeno.

Un problema completamente análogo es el movimiento de un cuerpo a lo largo de un túnel excavado en la Tierra, supuesta una distribución esférica y uniforme de masa. Se sugiere al lector que calcule el periodo del movimiento de dicho cuerpo. La respuesta es 84.5 minutos.

Datos: masa de la Tierra M=5.98·10²⁴ kg, radio de la Tierra R=6.37·10⁶ m, constante G=6.67·10^-11 en S.I.

En este applet se muestra como un electrón (círculo de color azul) describe un M.A.S. en el interior de una distribución esférica y uniforme de carga positiva.

Introducimos la posición inicial del electrón en el intervalo (-1 a 1 angstrom) y observamos su movimiento pulsando en el botón titulado Empieza.

A la derecha del applet, se representa su posición en función del tiempo. A partir de las medidas efectuadas en la gráfica podemos determinar aproximadamente su periodo. El tiempo obtenido hay que multiplicarlo por el factor de escala 10^-15 s.

Como el electrón se suelta en la posición inicial x₀ con velocidad nula, la ecuación de su movimiento como puede comprobarse fácilmente es  x=x₀cos(w t)