Densidad de flujo eléctrico

Densidad de flujo eléctrico

Densidad de flujo eléctrico

En electromagnetismo, el desplazamiento eléctrico es un campo vectorial \mathbf{D}(\mathbf{r},t) función de la posición \mathbf{r} en el espacio y del tiempo t\,, o también \mathbf{D}(\mathbf{r},\omega) función de la posición \mathbf{r} en el espacio y de la frecuencia ω, que aparece en las ecuaciones de Maxwell. Es una generalización del campo eléctrico en presencia de un dieléctrico. A veces también se denomina campo de desplazamiento eléctrico, densidad de flujo eléctrico o excitación eléctrica.

En la mayor parte de los materiales \mathbf{D} puede ser calculado como

\mathbf{D} = \epsilon_0 \mathbf{E} + \mathbf{P}

donde \varepsilon es la permitividad eléctrica del material, que en un medio lineal, no isótropo es un tensor de segundo orden (una matriz).

Contenido

Unidades

El Sistema Internacional de Unidades \mathbf{D}' se mide en culombios por metro cuadrado, es decir C/m2.

La utilización de estas unidades resulta de la ecuación de Ampère-Maxwell:

\mathbf{\nabla} \times \mathbf{H} = \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{D}} {\partial t}

donde \mathbf{H} se expresa en amperios por metro (A.m-1), y \mathbf{J} en Amperios por metro cuadrado (A.m-2). \mathbf{D} tiene que ser expresado en amperios por metro cuadrado por segundo (A.m-2.s), puesto que el culombio es por definición la cantidad de electricidad que atraviesa una sección de un conductor recurrido por una corriente de intensidad de 1 amperio durante 1 segundo (1 C = 1 A.s).

Si medimos B i H en teslas y E y D en newtons por coulombs, la ecuación deviene:

\nabla \times \mathbf{H} = \mu_0 \mathbf{J} + \frac{1}{c^2} \frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}

Que muestra por qué se prefiere expresar B y H con unidades diferentes que D y E.

Las unidades escogidas han variado a lo largo de la historia, por ejemplo en sistema de unidades electromagnéticas, en lo que la unidad de carga se define como 1 / 4\pi\varepsilon_0 = 1 (adimensional), D y E se expresan en las mismas unidades.

Relación con el campo electromagnético

En general, se considera que un medio lineal \mathbf{D}(\mathbf{r},\omega) está relacionado con el campo eléctrico \mathbf{E}(\mathbf{r},\omega) por la relación

\mathbf{D}(\mathbf{r},\omega) \ = \ \epsilon(\mathbf{r},\omega) * \mathbf{E}(\mathbf{r},\omega)

donde \epsilon(\mathbf{r},\omega) representa la permitividad eléctrica absoluta del medio, que es una matriz 3x3 en los medios anisótropos. Esta relación no es universal, por ejemplo:

no afecta a los medios eléctricamente no lineales (\mathbf{D}(\mathbf{r},\omega) que dependen también de los términos cuadráticos de \mathbf{E}(\mathbf{r},\omega)),


\mathbf{D} = \frac{\mathbf{E}}{\|\mathbf{E}\|} \left( \varepsilon^{(1)}\cdot \|\mathbf{E}\| + \varepsilon^{(2)}\cdot \|\mathbf{E}\|^2 + \varepsilon^{(3)}\cdot \|\mathbf{E}\|^3 + \cdots \right)

ni los medios con la propiedad de quiralidad (\mathbf{D}(\mathbf{r},\omega) que dependen linealmente de \mathbf{E}(\mathbf{r},\omega) pero también del campo magnético \mathbf{H}(\mathbf{r},\omega)).

Desplazamiento eléctrico en un condensador

Para un condensador, la densidad de carga eléctrica en las placas es igual al valor del campo D entre las placas. Eso se deduce directamente de la ley de Gauss, si integramos en una pequeña caja rectangular las placas del condensador:

\oint_A \mathbf{D} \cdot d\mathbf{A} = Q


donde A representa el área orientada de la caja y Q la carga acumulada por el condensador. La parte de la caja que está entre las placas tiene un campo nulo, así esta parte de la integral es cero. En los extremos de la caja, d\mathbf{A} es perpendicular al campo, por lo tanto esta parte de la integral también es cero. Al final tenemos:

|\mathbf{D}| = \frac{Q}{A}

que representa la densidad de carga de las placas.


Véase también

Obtenido de "Densidad de flujo el%C3%A9ctrico"

Wikimedia foundation. 2010.

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