Distribución de cargas en una bola metálica esférica

Temas generales de física. Obtención de vacío, operación, medición, materiales y accesorios. Producción y medición de radiación y partículas
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fusion
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Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#31 Mensaje por fusion »

He hecho el ensayo de meter la sonda del capacímetro (es lo que tengo a mano) en el interior de las dos esferas y me he encontrado con tres sorpresas:

1. La capacidad de las bolas sube, lo cual quiere decir que cabe más carga para el mismo potencial
2. Sube poco: un 10-12%, creía iba a subir más

A 10mm por ejemplo salen 8.86pF inyectando dentro y 8.12pF inyectando fuera:

Imagen

3. Y la tercera sorpresa, al acercar a tope las bolas (separadas por una tira de kapton), las capacidades dentro y fuera son prácticamente las mismas:
45.78pF dentro y 45.37pF fuera. Creía que al aumentar el número de cargas, estas no cabrían fuera e irían rellenando el interior, pero parece es justo lo contrario

Por otro lado ya sé como pueden estar las cargas dispuestas DENTRO de la esfera y que el campo E dentro sea 0 para que V sea constante.

Pero no lo diré aún , os daré una pista: la clave está en la segunda gráfica que he colgado con título "Vs", ahí veréis por qué hay carga DENTRO, (aunque parece que poca)

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fusion
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Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#32 Mensaje por fusion »

He hecho un experimento más, a ver si la esfera presenta algún tipo de inductancia cuando se mete las cargas por el centro: He probado inyectando señal a través de una bobina, en el centro y en la superficie de la esfera. Resulta que la frecuencia se diferencia en menos del 1%, lo cual me ha sentado mal y he tirado el setup a la basura.
Después me lo he pensado mejor, pues el ensayo se hizo a 10Mhz, a lo mejor encuentro algo a menor frecuencia. Espero que la asistenta no vacíe la papelera antes que llegue yo :oops: :oops:

Aprovecho para daros un consejo: cuando hagáis un experimento, no lo deis por finalizado, guardarlo y darle una segunda vuelta después de consultarlo con la almohada

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fusion
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Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#33 Mensaje por fusion »

He hecho el ensayo en un amplio espectro de frecuencias, y ha resultado que da igual el espectro de frecuencias, la esfera se carga por la superficie, salvo en el ensayo del día 24, en que a media y larga distancia puede haber un 10% más de carga si se inyecta por el centro.

Lo tendré en cuenta en los diseños de reactores. Un fallo de diseño puede costar dos meses de trabajo y 100k€ de coste. Los reactores serán "Gausianos" :)

alset

Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#34 Mensaje por alset »

fusion escribió: Dom Ago 01, 2021 8:31 pm Mi duda es si las cargas en una esfera se distribuyen en la superficie o en el volumen.
Me parece deben estar en la superficie todas las cargas están en la misma posición relativa entre ellas (salvo que haya un campo externo)
Pues quítate la duda, absolutamente en la superficie.

Para medir capacitores planos caseros y corroborar contra su formula teorica debes hacerlo de 3 placas, las externas a masa algun error por efecto de discontinuidad en los bordes habra pero poquito.
Asi evitas todos los errores hacia el ambiente/tierra, que no habla pero esta.
Y como dices si pones un dielectrico de permitividad relativa de 10, la capacidad sube 10 y las cargas también 10 a igualdad de tensión.
Peroooo..la fuerza entre placas subira 100.

Como solo lei algunos post, quizas ya sea innecesaria mi intervención .

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fusion
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Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#35 Mensaje por fusion »

Bueno, la respuesta que es entre un 99.9% y un 85% en la superficie, dependiendo de la distancia entre esferas, pero prácticamente gana por 10 a uno la ley de Gauss, esta es la única vez que he arañado algo a una ley de "los antiguos", por los cuales profeso un cada vez mayor respeto y admiración :)

alset

Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#36 Mensaje por alset »

fusion escribió: Mar Feb 01, 2022 9:02 am Bueno, la respuesta que es entre un 99.9% y un 85% en la superficie, dependiendo de la distancia entre esferas, pero prácticamente gana por 10 a uno la ley de Gauss, esta es la única vez que he arañado algo a una ley de "los antiguos", por los cuales profeso un cada vez mayor respeto y admiración :)
Los antiguos tocaban la realidad con los dedos, la entendian y luego con tiempo le ponian numeros.
Hoy es al reves.
El que le erro mal fue don Coulomb con su balanza de torsion electrostatica...midio lo que no existe..y alli estamos.
Consejo electrostatico:
Es mas facil analizar con sistema simetrico de revolucion, o sea un capacitor esferico.
la esfera exterior sera la jaula de Faraday y juegas con la interior .
Si me dices que buscas o deseas confirmar quizas te pueda dar algún tip.
Edito:
Descubriras que todo es mas facil de analizar si usas campo electrico y su voltaje asociado entre superficies, ya que siempre es atractivo nunca repulsivo, asi puedes resolver sistemas complejos con sencillez.

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fusion
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Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#37 Mensaje por fusion »

Bueno, te cuento la película completa :)

La película empieza en que en un reactor de fusión con campos eléctricos es muy importante saber cuantas cargas efectivas hay dentro (o sea, cuantos iones hay de más que electrones o de menos), entonces me dí cuenta que en ningún sitio dice como se distribuye la carga dentro, incluso algunos problemas de electrostática empieza diciendo "supongamos que la carga se distribuye uniformemente en el volumen"
Luego vi que según la ley de Gauss (gran hombre) la carga solo puede estar en la superficie (La integral superficial del campo eléctrico es la carga encerrada por la superficie dividida por la constante dieléctrica), o sea, al derivar sale que para que para que el potencial sea constante dentro de la esfera, la derivada es 0 y por tanto el campo y por tanto la carga dentro es 0.
Esto arruinaba mis esperanzas, porque en la superficie caben muchas menos cargas que en el volumen, al estar más cerca éstas entre sí, lo cual malograba mis cálculos de potencia del reactor, pero no me rendí, pensé que como iban a estar todas las cargas en la superficie si al integrar para calcular el potencial trayéndola desde el infinito sale menor si la carga está uniformemente distribuida en el volumen, y si la energía de ese sistema es menor que con cargas superficiales esa era la respuesta. Con las simulaciones, si la carga crece exponencial al llegar al borde salía la ecuación, (pero la derivada tendía a no ser continua)
Como no conseguía dilucidar quien tenía razón si Gauss o la distribución homogénea, hice dos esferas huecas y dos macizas, y vi que ambas parejas tenían una capacidad parecida, decidí que Gauss tenía razón.....pero no del todo :) pues "algo" de la carga se mete un poco dentro de la esfera.
En fin, lo pasé estupendo entre simulación y simulación distrayéndome para hacer dicho experimento de física fundamental, si hubiera hecho lo de las esferas desde el principio lo habría resuelto antes
Si alguien lo quiere ver con más detenimiento y sacar valores más exactos que la tabla de arriba, que repita el experimento usando bolas pulidas pues seguro que el papel de aluminio arrugado tiene más superficie y camufla un poco los datos, eso sí, debe usar un capacímetro de muy buena precisión

El experimento lo repetí usando un generador de RF a ver si había alguna frecuencia donde no se cumpliera la ley de Gauss intentando además meter el electrodo por el centro, pero ví que se cumplía la ley de este hombre casi hasta la alta frecuencia, donde empieza a tener efecto la inductancia de los cables

Al respecto del reactor tuve que meterle unos cambios radicales para que esté en "cierta armonía" con la ley de Gauss, que si estuviera vivo se habría reído un montón a mi costa

P.D. OJO: Habría que repetir el experimento metiendo una muy alta tensión a ver si al meter un mogollón de cargas estas se tienen que meter dentro
Y como dices si pones un dieléctrico de permitividad relativa de 10, la capacidad sube 10 y las cargas también 10 a igualdad de tensión
Te responderá algo más adelante para dejaros tiempo de digerir esto :wink:
Otra cosa que dejo a modo de reflexión: es curiosos que para meter cargas en un metalhaya que poner cargas opuestas en otro, si metiéramos caga en todos por igual ¿se nos pondrían los pelos tiesos?

alset

Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#38 Mensaje por alset »

Esto de las cargas superficiales me hace acordar cuándo fantasee con hacer capacitores con grafeno de una sola molécula de espesor por cada placa del capacitor.
yo deducía que la cantidad de electrones que se podían extraer del capacitor estaría limitada porque es una capa de una sola molécula.
Entonces sería un capacitor "saturable" tomaría carga hasta un determinado voltaje y luego ya no admitiría más cargas ideal para hacer líneas de transmisión dentro de un circuito integrado ya que el mayor consumo de un integrado es justamente las capacidades .
Hice algunos números y la cantidad de electrones que entran en una superficie es inimaginable grande, así que se le podían dar todos los voltios que uno quisiera y seguiría siendo un capacitor.
Conclusión, ningun electrón queda por debajo de la superficie.
Piensa en electrones no cargas, su quieres poner electrones en una esfera, pues de algun lado saldran, no de la fuente que es quien solo los impulsa, en general salen de la jaula de faraday que es la habitación .
Lo mismo si quieres sacar electrones, iran a las superficie de las paredes de la habitacion y desde alli ejerceran fuerza ATRACTIVA hacia la esfera por que se establece un campo electrico, y si vuela una mosca te altera el campo
(El error de Coulomb y su balanza de torsion).
Volviendo a tu plasma que exactamente necesitas medir y donde? que geometria tiene tu nube?
En conjunto el plasma es neutro, sino se pegaria a las paredes de donde se saco o puso electrones.
Piensa en un plasma por RF en un bulbo hermetico...no puedes quitar ni agregar electrones, es neutro.
Ios iones se van creando y recombinando a neutralidad permanentemente, mientras se aporte excitación.
Sigo editando:
Podrías quizas polarizar un plasma, si al gas del bulbo hermetico via un electrodo le quitas o agregas electrones, creo que podrías entonces manipular y conformar su geometria con campos electricos externos.

Esos electrones o su ausencia se localizaran también en la superficie de la nube de plasma y quizas se desprendan de la nube y se peguen a las paredes del bulbo...🤪🤔

si te interesa puedo expandir la idea.

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fusion
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Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#39 Mensaje por fusion »

El grafeno es carbono, en principio el carbono es un semiconductor, aunque dicen que el grafeno es un superconductor, sin embargo el grafeno comercial tiene una conductividad media, como el hierro o así, por eso de repente se acabó el interés
Un elemento conductor no vale como dieléctrico
sin embargo los IGBT o SCRs de alto voltaje se hacen con diamante (carbono) pues tiene unas cualidades dieléctricas impresionantes

La carga que metes en un plasma la saca la fuente del terminal de tierra, si éste está conectado a la tierra del edificio se reparte un poco más la carga opuesta, aunque segun gauss esta aparecerá por doquier en la superficie.

Una manera teórica muy mala de aumentar la capacidad de carga del reactor es meter dieléctricos de alto valor, pero en la realidad no vale para nada

Quiero medir en el reactor la densidad, temperatura del plasma y porcentaje de ionización, pero es difícil pues hay unos campos tremendos y me parece no puedo usar sondas langmuir o cuadrupolos, veré si con métodos ópticos, aunque ahora estoy con otra guerra, como las pérdidas energéticas, para lo cual estoy haciendo simulaciones. En lo que vá de semana he puesto en marcha un nuevo modelo de reactor, lo simularé mañana, acabo de pasar el contador y salen 16 mil líneas de código :)

alset

Re: Distribución de cargas en una bola metálica esférica

#40 Mensaje por alset »

fusion escribió: Mié Feb 02, 2022 10:47 pm El grafeno es carbono, en principio el carbono es un semiconductor, aunque dicen que el grafeno es un superconductor, sin embargo el grafeno comercial tiene una conductividad media, como el hierro o así, por eso de repente se acabó el interés
Un elemento conductor no vale como dieléctrico
sin embargo los IGBT o SCRs de alto voltaje se hacen con diamante (carbono) pues tiene unas cualidades dieléctricas impresionantes

La carga que metes en un plasma la saca la fuente del terminal de tierra, si éste está conectado a la tierra del edificio se reparte un poco más la carga opuesta, aunque segun gauss esta aparecerá por doquier en la superficie.

Una manera teórica muy mala de aumentar la capacidad de carga del reactor es meter dieléctricos de alto valor, pero en la realidad no vale para nada

Quiero medir en el reactor la densidad, temperatura del plasma y porcentaje de ionización, pero es difícil pues hay unos campos tremendos y me parece no puedo usar sondas langmuir o cuadrupolos, veré si con métodos ópticos, aunque ahora estoy con otra guerra, como las pérdidas energéticas, para lo cual estoy haciendo simulaciones. En lo que vá de semana he puesto en marcha un nuevo modelo de reactor, lo simularé mañana, acabo de pasar el contador y salen 16 mil líneas de código :)
El grafeno como placa o linea de transmision no como dielectrico dije..o digo.

No se de que tipo de reactor hablas y aumentar que carga?

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