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Electricidad y magnetismo. Capacitores



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    En electrostática, todo conductor se caracteriza por un
    potencial eléctrico constante en todos sus puntos y dentro
    de el. La diferencia de potencial entre dos conductores cargados
    pueden acelerar cargas de prueba, y es por eso que el sistema
    almacena energía. Un capacitor es un dispositivo de este
    tipo; almacena energía por que almacena carga. En este
    capitulo, estudiaremos como afecta a los capacitores la
    geometría y los materiales dieléctricos.
    También vamos a describir la estructura
    microscópica de los dieléctricos y con ello
    ampliaremos el conocimiento fundamental del comportamiento de la
    materia. 4.1 Introducción

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    4.2 Objetivo general Dotar al estudiante de los fundamentos
    teóricos necesarios para poder aplicar y utilizar la
    energía almacenada en un campo electroestático,
    así como de herramientas para calcular capacitancias de
    diferente geometría y para obtener la capacitancia neta de
    sistemas de capacitores serie y paralelo. Dimensionar la
    importancia del efecto de un dieléctrico sobre la
    capacitancia, la carga, la diferencia de potencial y la
    intensidad del campo eléctrico en un capacitor de placas
    paralelas.

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    4.3 Objetivos específicos Estar en capacidad de
    interpretar la influencia que tiene un dieléctrico
    (material no conductor) dentro del capacitor en variables como:
    la intensidad del campo eléctrico, la capacitancia, la
    carga y la diferencia de potencial. Proyectar la aplicabilidad
    temática al estudio de una lámpara de destello, de
    un sintonizador de frecuencia de radio, de filtros para
    suministro de energía eléctrica o en circuitos
    electrónicos en donde los voltajes y corrientes
    varían con el tiempo.

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    4.4 Capacitancia Un capacitor se compone de dos conductores
    aislados eléctricamente uno del otro y de sus alrededores.
    Una vez que el capacitor se carga, los dos conductores adquieren
    cargas iguales pero de signo contrario, es decir, existe un
    desequilibrio de carga, por tanto, hay una diferencia de
    potencial y un campo eléctrico entre los conductores.
    (Gp:) + (Gp:) –

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    Se comprueba experimentalmente que la diferencia de potencial es
    directamente proporcional a la carga en el capacitor V a Q
    entonces: C = V / Q FARADIO = VOLTIO / COULOMB. La capacitancia C
    del capacitor depende del arreglo geométrico de los
    conductores, la capacitancia de un dispositivo es la capacidad
    para almacenar carga y energía potencial eléctrica.
    Carga de un capacitor

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    Ejemplo 4.1 Cuando en un capacitor inicialmente descargado se
    transfieren 1*1012 electrones de una placa a la otra, la
    diferencia de potencial es de 20 voltios. ¿cuál es
    su capacitancia? Como la carga esta cuantizada: Qt = N*e, donde N
    es el numero de electrones y e la carga del electrón
    1.6*10-19C, entonces: Qt = 160*10-9 C. Como Q = V*C C = Qt / V
    = 8 nC

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    Ejemplo 4.2 Capacitancía de una esfera aislada de radio R
    Q+ Consta de un conductor esférico aislado de radio r y
    carga Q. (el segundo conductor puede considerarse como una esfera
    conductora concéntrica de radio infinito) (Gp:) r
    Entonces, C = Q / ( KQ / r) La capacitancia C = Q / V la
    diferencia de potencial V = KQ / r C = r / K = r (4* p *eo)

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    Ejemplo 4.3 Capacitancia de un capacitor de placas paralelas
    (Gp:) d (Gp:) – – – (Gp:) + + + (Gp:) E Consta de dos placas
    (rectangulares, circulares, etc.) planas y paralelas separadas
    una distancia d y un campo eléctrico uniforme entre ellas
    La capacitancia C del capacitor, la diferencia de potencial V y
    el campo eléctrico entre las placas es: C = Q / V V = E *
    d E = s / eo V = (s / eo)*d V = (Q/A)*d / eo C = Q / ((Qd) /(A
    eo)) C = eo A / d

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    El segundo conductor es un cascaron cilíndrico de radio b
    > a y densidad lineal de carga –l Para una superficie
    cilíndrica de radio a < r < b el campo
    eléctrico es radial hacia fuera C = Q / V = Q / {l / (2 p
    e0)} Ln (b /a) C = Q / V = Q / {(Q/l) / (2 p e0)} Ln (b /a) La
    capacitancia es: C = Q / V, y la diferencia de potencial V entre
    el cilindro de radio a y el cilindro de radio b se define como:
    Ejemplo 4.4 Capacitancía de un capacitor cilíndrico
    (Gp:) r Un capacitor cilíndrico consiste en un conductor
    central de radio a, con una densidad lineal de carga +l una
    longitud l (Gp:) a +Q (Gp:) b -Q C = 2pe0 l / Ln (b /a) (Gp:) Er
    = l / (2pe0 r) (Gp:) ^ (Gp:) r (Gp:) Vb – Va = – ò Er dr =
    -ò l/(2peo r) dr (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) a Vb
    – Va = -l / (2pe0) Ln(b/a) = V (Gp:) Vb – Va = – l /
    (2pe0)Ln r (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) Vb – Va = – ò E ·
    dl = -ò Er · dr (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) a
    (Gp:) Vb – Va = -l/(2peo) ò r dr (Gp:) b (Gp:) a

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    (Gp:) Vb – Va = – ò Er dr = -ò (KQ / r2)dr (Gp:) b
    (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) Vb – Va = – ò E · dl
    = -ò Er · dr (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) a Como
    Va > Vb Þ Va – Vb = KQ (1/a – 1/b) Ejemplo
    4.5 Capacitancia de un capacitor esférico (Gp:) b (Gp:) -Q
    (Gp:) a (Gp:) +Q (Gp:) r (Gp:) b (Gp:) a Para la superficie de
    radio a < r < b el campo eléctrico es radial hacia
    fuera Para calcular el campo eléctrico a una distancia r
    tal que a < r < b se construye una superficie
    esférica de radio r La Capacitancía es C = Q / V,
    la diferencia de potencial V entre la esfera de radio a y la
    esfera de radio b se define como: (Gp:) Er = KQ / r2 (Gp:) ^
    (Gp:) r Por tanto C = Q / V = Q / {KQ (b – a) / (a*b)} C =
    a*b / (K (b – a)) Consta de un cascaron conductor
    esférico de radio b y carga -Q y una esfera
    concéntrica conductora de radio a < b y carga +Q Va
    – Vb = KQ(b – a) / (a * b) (Gp:) Vb – Va = KQ (1/r) =
    kQ (1/b – 1/a) (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) Vb – Va = -KQ
    ò (dr/r2) (Gp:) a (Gp:) b

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    Si se considerara la tierra como un inmenso capacitor
    ¿cuál sería su capacitancia
    considerándola como una esfera conductora aislada de radio
    r = 6.37*10*106 m. Ejemplo 4.6 C = r (4*p*eo) = 707 mF

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    Se tiene un capacitor de placas paralelas separadas una distancia
    de 2 cm. Si la placas son discos y la capacitancia es de 72*10-12
    F = 72 PF ¿cuál es el radio de las placas? Ejemplo
    4.7 C = eo A / d, entonces. A = Cd / eo como A = p r2 = Cd / eo
    r =Ö(Cd / (eo p)) r = 0.228 m = 22.77 cm (Gp:) + + + +
    (Gp:) – – – – (Gp:) d

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    ¿cuál es la capacitancia por unidad de longitud de
    un capacitor cilíndrico de radio a = 5 cm y radio b = 10
    cm? Ejemplo 4.8 C = 2pe0 l / Ln(b /a), entonces, C / l = 2 p e0 /
    Ln (b /a) C = 7.52 PF/m (Gp:) b – (Gp:) a (Gp:) l

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    ¿cuál es la capacitancia de un capacitor
    esférico de radio a de 5 cm y radio b de 10 cm? Ejemplo
    4.9 C = a * b / (K(b – a)) = 11.11 PF C = 11.11*10-12 F
    (Gp:) a (Gp:) +Q (Gp:) -Q (Gp:) b

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    Se tiene una batería, unos conductores, un capacitor de
    placas paralelas C descargado y un interruptor. Carga en un
    capacitor 4.5 Combinación de capacitores (Gp:) + + + (Gp:)
    – – – Cuando el interruptor se cierra cada placa adquiere la
    misma cantidad de carga Q pero de signo contrario, y una
    diferencia de potencial V.

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    (Gp:) + + + (Gp:) – – – (Gp:) – – – (Gp:) + + + Se tienen dos
    capacitores en serie C1 y C2, inicialmente descargados, una
    batería, un interruptor y unos conductores. Los dos
    capacitores conectados en serie tiene cargas iguales de signos
    opuestos. Capacitores en serie

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    Esto hace que el sistema se comporte como si fuera un solo
    capacitor. entonces V – V1 – V2 = 0 como C = Q / V
    reemplazando Q/C – Q1/C1 – Q2/C2 = 0. La carga en
    cada capacitor es la misma 1/C = 1/C1 + 1/C2 Para un circuito
    cerrado la suma de los potenciales es igual a cero SV = 0 Cuando
    se cierra el interruptor las placas de los extremos obtienen
    idéntica cantidad de carga pero de signo contrario,
    positiva a la izquierda y negativa a la derecha. las placas
    exteriores inducen la misma cantidad de carga de signo contrario
    a las placas interiores. (Gp:) + + + (Gp:) – – – (Gp:) – – –
    (Gp:) + + +

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    Para cada capacitor conectado en serie la carga es la misma Q1 =
    Q2 =…………… = Qi =……………… = Qn. Para un
    circuito de capacitores conectados en serie el voltaje de entrada
    es igual a la suma de los voltajes individuales V = V1 – V2
    –……….. – Vi –………………….
    – Vn Para un circuito con capacitores en serie el inverso
    de la capacitancia equivalente es igual a la suma de los inversos
    de cada uno de ellos 1/Ce = 1/C1 + 1/C2 + …………….. +
    1/Ci +…………… + 1/Cn la capacitancia equivalente es el
    reciproco de la ecuación anterior, Conclusiones (Gp:) n
    (Gp:) i = 1 (Gp:) 1/Ce = å 1/Ci

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    Se tienen tres capacitores conectados en serie con una
    batería de 100 V. Si C1 = 30mF, C2 = 40mF, C3 = 24mF.
    ¿cuál es la capacitancia equivalente y cual es el
    voltaje en cada capacitor? Ejemplo 4.10 (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:)
    – – (Gp:) + + (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:) C1 (Gp:) C2 (Gp:) C3 1 /
    Ce = 1/ C1 + 1/ C2 + 1/ C3 ; 1 / Ce =1 / (10mF). entonces, Ce =
    10 mF y Qe = V*Ce = 1000 mC = 1*10-3 C Como la carga es la misma
    para capacitores en serie, y Q = V* C, entonces, V1 = Q / C1 =
    33.33 V V2 = Q / C2 = 25.00 V V3 = Q / C3 = 41.64 V

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    La carga total Qt = SQi = Q1 + Q2 Q = C*V V*Ce=V1*C1+V2*C2 V = V1
    = V2 C e = C1 + C2 Cuando se cierra el interruptor los
    capacitores C1 y C2 conectados en paralelo tienen el mismo
    potencial ya que la línea ace es una equipotencial y la
    línea bdf hace otra equipotencial. Se tienen dos
    capacitores conectados en paralelo C1 y C2, inicialmente
    descargados, una batería, un interruptor y unos
    conductores. (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f
    (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f (Gp:) + + + (Gp:)
    + + (Gp:) – – (Gp:) – – – Capacitores en paralelo

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    Para un circuito de capacitores en paralelo la carga total es
    igual es igual a la suma de las cargas individuales Qt = SQi = Q1
    + Q2 + Q3 + ……….. + Qi + …………… + Qn Para un
    circuito de capacitores en paralelo la capacitancia equivalente
    es igual a la suma de las capacitancias individuales Ce = SCi =
    C1 + C2 + C3 +……………… + Ci +………+ Cn Para un
    circuito de capacitores en paralelo el voltaje es igual para cada
    capacitor V1 = V2 = V3 = ………………….. = Vi =
    …………………. = Vn Conclusiones

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    Se tienen tres capacitores conectados en paralelo con una
    batería de 100 V .Si C1 = 1mF, C2 = 2mF, C3 =
    3mF.¿cuál es la capacitancia equivalente y cual es
    la carga en cada capacitor?. Ejemplo 4.11 (Gp:) – – (Gp:) + +
    (Gp:) C1 (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:) C2 (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:)
    C3 La capacitancia equivalente es: Ce = C1 + C2 + C3 = 6mF Qt =
    VCe = 600 mC como el voltaje es el mismo en cada capacitor, y Q =
    VC, entonces, Q1 = VC1 = 100 mC Q2 = VC2 = 200 mC Q3 = VC3 = 300
    mC

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    (Gp:) C1 (Gp:) C2 (Gp:) C3 (Gp:) V (Gp:) + (Gp:) + + + (Gp:) + +
    (Gp:) – – – (Gp:) – (Gp:) – – (Gp:) C1 (Gp:) C2 (Gp:) C3 (Gp:) V
    Se tiene un capacitor C1 = 1mF, en paralelo con un capacitor C2 =
    2 mF, y un capacitor C3 = 6 mF en serie con los dos anteriores,
    conectados a una fuente de 24 Voltios ¿cuál es la
    carga y el voltaje en cada capacitor? Ejemplo 4.12 Como C1 y C2
    están en paralelo la Capacitancía equivalente C4 =
    C1 + C2 C4 = 3 mF

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    (Gp:) C4 (Gp:) C3 (Gp:) V (Gp:) + + + (Gp:) + + + (Gp:) – – –
    (Gp:) – – – los capacitores C4 y C3 están en serie la
    capacitancia equivalente es 1/C5=1/C4+1/C3 1/C5 = 1/(3mF) +
    1/(6mF) entonces, C5 = 2 mF

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    (Gp:) C5 (Gp:) V (Gp:) + + + (Gp:) – – – (Gp:) – – – La carga Q5
    = V * C5 = 24V * 2mF = 48 mC teniendo la carga y la capacitancia
    equivalente, nos regresamos encontrando los voltajes y las cargas
    en cada capacitor

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    (Gp:) C4 (Gp:) C3 (Gp:) V (Gp:) + + + (Gp:) + + + (Gp:) – – –
    (Gp:) – – – Como la carga de capacitores en serie es la misma Q5
    = Q4 = Q3 = 48 mC V4 = Q4 / C4 = 48mC / 3 mF = 16 voltios V3 =
    Q3 / C3 = 48mC / 6 mF = 8 voltios En un circuito cerrado la suma
    de los potenciales es igual a cero SV = 0 entonces 24 V –
    16 V – 8 V = 0

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    (Gp:) C1 (Gp:) C2 (Gp:) C3 (Gp:) V (Gp:) + (Gp:) + + + (Gp:) + +
    (Gp:) – – – (Gp:) – (Gp:) – – V1 = V2 = V4 = 16 voltios V3 = 8
    voltios Q1 = V1 * C1 = 16 mC Q2 = V2 * C2 = 32 mC Qt = Q1 + Q2 =
    48 mC

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    (Gp:) + (Gp:) + + + (Gp:) + + (Gp:) – – – (Gp:) – (Gp:) – – 1 mF
    16 V 16 mC 24 V 2 mF 16 V 32 mC 3 mF 8 V 48 mC

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    Entre los dos conductores de un capacitor cargado hay un campo
    eléctrico, y ese campo puede acelerar una carga de prueba.
    Así, un capacitor cargado es capaz de realizar trabajo, y
    debe contener energía. Una partícula positiva que
    se mueve en dirección contraria al campo eléctrico
    realiza un trabajo DW = DU Un capacitor se carga tomando una
    carga positiva dq, de un conductor y pasándolo al otro
    conductor. El primer conductor tiene una carga +dq y el segundo
    una carga –dq. Al continuar moviendo cargas adicionales
    dqi, las cargas existentes en los conductores se opondrán
    a la transferencia de mas carga y tenemos que efectuar un trabajo
    para mover cada carga adicional. 4.6 Energía almacenada en
    un capacitor cargado (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) 50 VOLTIOS + + + + + +
    + + + + +

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    El trabajo total efectuado cuando iniciamos con cero cargas y
    terminamos con las cargas ± Q En cualquier instante la
    diferencia de potencial V = q / C entonces dW = Vdq = q / C dq La
    energía de un capacitor cargado es U = ½ Q2 / C =
    ½ C V2 = ½ Q V (Gp:) dW (Gp:) W (Gp:) ò
    (Gp:) = (Gp:) = (Gp:) (q / C) dq = ½ Q2 / C (Gp:) ò
    (Gp:) 0 (Gp:) Q + – (Gp:) 50 VOLTIOS

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    Se tienen tres capacitores conectados en serie con una
    batería de 100 V. Si C1 = 30mF, C2 = 40mF, C3 = 24mF.
    ¿cuál es la energía en cada capacitor y cual
    es la energía de todo el sistema?. Ejemplo 4.13 (Gp:) – –
    (Gp:) + + (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:) C1 (Gp:)
    C2 (Gp:) C3 1 / Ce = 1/ C1 + 1/ C2 + 1/ C3 ; 1 / Ce =1 / (10mF).
    entonces, Ce = 10mF y Qe = V * Ce = 1000 mC Ut = ½ Qe V =
    50 mJ U1 = ½ Q12/C1 = 16.66 mJ U2 = ½ Q22/C2 = 12.5
    mJ U3 = ½ Q32/C3 = 20.83 mJ Ut = U1 + U2 + U3 = 50
    mJ

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    Se tienen tres capacitores conectados en paralelo con una
    batería de 100 V .Si C1 = 1mF, C2 = 2mF, C3 =
    3mF.¿cuál es la energía total y cual es la
    energía en cada capacitor?. Ejemplo 4.14 (Gp:) – – (Gp:) +
    + (Gp:) C1 (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:) C2 (Gp:) – – (Gp:) + + (Gp:)
    C3 La capacitancia equivalente es: Ce = C1+C2+C3 = 6mF Qt = VCe
    = 600 mC Ut = ½ Qe V = 30*10-3 J U1 = ½ C1 V2 =
    5*10-3 J U2 = ½ C2 V2 = 10*10-3 J U3 = ½ C3 V2
    =15*10-3 J Ut = U1 + U2 + U3 = 30 mJ

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    Ejemplo 4.15 (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) e (Gp:) C1 (Gp:) C2
    Considérese el circuito de la figura donde C1 = 2 mF. C2 =
    4 mF y e = 24 voltios. El capacitor C1 se carga primero llevando
    el interruptor a a, el capacitor cargado se conecta al capacitor
    descargado C2 pasando el interruptor a b. Calcule a) la carga
    inicial del capacitor C1 y su energía inicial, b) la carga
    final de cada capacitor, la energía final y el voltaje en
    cada capacitor. c) la variación de la energía. Se
    cierra el interruptor

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    (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) e (Gp:) C1 (Gp:) C2 La carga Qt cuando se
    lleva el interruptor a a Qt = C1 * V = 2 mF * 24 V = 48 mC y su
    energía Ui = ½ Qt2 / C1 = 576 mJ

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    La energía de C1 es : U1 = ½ Q12 / C1 = 64 mJ La
    energía de C2 es : U2 = ½ Q22/ C2 = 128 mJ La
    energía total Uf = U1 + U2 = 192 mJ DU = Ui – Uf = 576 mJ
    – 192 mJ = 384 mJ Esta energía se transformo en calor o en
    forma de ondas electromagnéticas (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) e
    (Gp:) C1 (Gp:) C2 Cuando el interruptor se lleva de a, a b, la
    carga Qt se redistribuye con el capacitor dos, el capacitor uno
    cede una carga Q al capacitor dos. La nueva carga de C1 y C2 es:
    Q1 = Qt – Q y de C2 es Q = Q2. Como el voltaje en paralelo
    es el mismo; V1 = V2 ; V1 = (Qt – Q) / C1 ; V2 = Q / C2
    entonces, (Qt – Q1)/C1 = Q/C2 Q=Qt * C2 / (C1+C2) = 32 mC
    = Q2; Q1=Qt – Q=16 mC; V1= Q1/C1 = 8V.; V2 =Q2/C2 = 8
    V

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    La capacitancia de un capacitor C de placas paralelas, la
    diferencia de potencial entre las placas de un capacitor y la
    energía de un capacitor cargado es: es: C = eo A / d ; V =
    E d ; U = ½ C V2 ; U = ½(eoA/d ) (E d )2 = ½
    eo (A*d) E2 Como el volumen v = A*d, entonces, La densidad de
    energía o la energía por unidad de volumen es : UE
    = U/ v = ½ eo E2 4.7 Densidad de energía en un
    campo eléctrico

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    En un capacitor de placas paralelas las placas tienen un
    área de 40 cm2 y están separadas 2.5 mm. El
    capacitor se conecta a una batería de 24 voltios.
    Encuentre a) La capacitancia; b) la energía almacenada; c)
    el campo eléctrico; d) la densidad de energía en el
    campo eléctrico. Ejemplo 4.16 A = 40*10-4 m2; d = 2.5*10-3
    m a) La capacitancia; C = eo A / d = 14.15 PF C = 14.15*10-12 F
    b) La energía almacenada; U = ½V2C = 8.15 nJ U =
    8.15*10-9 J

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    En un capacitor de placas paralelas las placas tienen un
    área de 40 cm2 y están separadas 2.5 mm. El
    capacitor se conecta a una batería de 24 voltios.
    Encuentre a) La capacitancia; b) la energía almacenada; c)
    el campo eléctrico; d) la densidad de energía en el
    campo eléctrico. A = 40*10-4 m2; d = 2.5*10-3 m c) El
    campo eléctrico; V = Ed E = V/d = 9600 V/m d) La
    energía en la unidad de volumen (densidad de
    energía); UE = ½ eo E2 = 407.4 mJ

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