Ejercicio 2
Enunciado: Dibujo y tomo en cuenta a los conductores, semiconductores y aislantes de manera que pueda aumentar su poder y, a la vez, impedir que uno/a de sus compañeros/as se electrifique.
Análisis del problema
El dispositivo debe cumplir dos objetivos simultáneos:
- Aumentar su poder: acumular mayor cantidad de carga eléctrica Q a una misma diferencia de potencial V. Esto se logra aumentando la capacidad del sistema, C = \dfrac{Q}{V}.
- Evitar la electrificación: que ninguna persona toque un conductor cargado. Se consigue aislando las partes energizadas y limitando la corriente que podría circular por el cuerpo humano.
Paso 1: Clasificación de materiales
| Tipo de material | Ejemplos | Función en el dispositivo |
|---|---|---|
| Conductores | Aluminio, cobre, latón | Acumulan y transportan la carga eléctrica; son el "alma" del dispositivo |
| Aislantes | Vidrio, plástico, caucho, madera, aire | Impiden que la carga llegue a las manos o al cuerpo |
| Semiconductores | Silicio, germanio, carbono | Permiten un control parcial de la corriente (descarga limitada y segura) |
Paso 2: Diseño propuesto — Leyden jar con protección
- Base y cubierta (aislantes): una base de espuma o plástico y una camisa de caucho o PVC rodean por completo la parte cargada; el aire también actúa como aislante entre el recipiente y las personas.
- Núcleo conductor (conductores): un alambre de cobre o aluminio que conecta una placa metálica interior con un botón conductor esférico en la parte superior. La esfera evita las puntas (los campos eléctricos se concentran en las puntas y favorecen la descarga espontánea).
- Contenedor de vidrio (aislante): el vidrio separa la lámina metálica interior de la exterior, formando un condensador: C = \dfrac{\varepsilon A}{d}, donde \varepsilon es la permitividad del vidrio, A el área de las láminas y d la separación entre ellas. Al aumentar A o disminuir d, se aumenta el poder del dispositivo.
- Vía de descarga con semiconductor (control): un conductor de carbono o una resistencia semiconductora conectada entre la lámina interior y el exterior (o a tierra) limita la corriente según la ley de Ohm, I = \dfrac{V}{R}: con R grande, I es pequeña y descarga de forma lenta y segura.
- Descarga controlada: se incluye un palo aislante con punta metálica que permite descargar el dispositivo antes de manipularlo, evitando que la corriente pase por el cuerpo.
Paso 3: Verificación de la seguridad
- La energía almacenada es W = \frac{1}{2}CV^{2}; para mantenerla manejable se usan voltajes moderados.
- Cualquier persona que se acerque no debe tocar el botón conductor: está protegido por aislantes de alto espesor (caucho, PVC).
- La corriente máxima que atraviesa al usuario se reduce al máximo mediante la resistencia semiconductora: I = V/R es pequeña.
- Antes de acercarse, se descarga el dispositivo con el palo aislante hasta Q \approx 0, es decir, hasta que V \approx 0\,\text{V}.
Paso 4: Dibujo (esquema)
flowchart TB
subgraph DISP[Dispositivo de acumulación segura de carga]
direction TB
BOTON["Botón conductor esférico<br/>(CONDUCTOR: aluminio)"]
ARO["Carcasa de caucho/PVC<br/>(AISLANTE)"]
VIDRIO["Contenedor de vidrio<br/>(AISLANTE)"]
PLACAI["Placa metálica interior<br/>(CONDUCTOR: cobre)"]
PLACAE["Placa metálica exterior<br/>(CONDUCTOR: cobre)"]
SEMI["Descarga con carbono/silicio<br/>(SEMICONDUCTOR: R = V/I)"]
BASE["Base de espuma<br/>(AISLANTE)"]
BOTON --> ARO
ARO --> VIDRIO
VIDRIO --> PLACAI
PLACAI --> SEMI
SEMI --> PLACAE
PLACAE --> BASE
end
TIERRA["Punto a tierra<br/>(control de descarga)"]
SEMI --> TIERRA
Respuesta orientativa: el dibujo debe mostrar claramente las tres zonas: núcleo conductor (cobre/aluminio), barrera aislante completa (vidrio + caucho + plástico) y una vía de descarga con material semiconductora que limite la corriente, garantizando que el dispositivo aumente su capacidad de almacenamiento sin exponer a las personas a una descarga eléctrica.
