Potencial Campo Electrico

POTENCIAL Y CAMPO ELÉCTRICO. CONCEPTO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN EN UN ENTORNO DIDÁCTICO.
J.S. Artal; J. Letosa; A. Usón; M. Samplón y F.J. Arcega
Departamento Ingeniería Eléctrica. Escuela de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza. María de Luna nº3-5. Edificio C ‘Torres Quevedo’. 50018. Zaragoza. Tlfno.:976 762152. Fax.: 976 762226. jsartal@posta.unizar.es.

Palabras clave:Potencial y campo eléctrico, simulación y análisis, Método de Elementos Finitos.

Resumen.
La asignatura de Electricidad y Magnetismo se ubica, en los nuevos planes de estudio de las Ingenierías Técnicas Industriales, como asignatura anual de primer curso. La disyuntiva entre impartirla con una orientación fundamentada y teórica en espera de que otras asignaturas posteriores desarrollen suaplicabilidad o realizar la conexión con la práctica en la misma asignatura ha sido un dilema habitual agravado por la limitación temporal para su impartición. En este sentido unos de los fenómenos más atractivos para las estudiantes entre los contenidos de la materia que nos ocupa es el campo eléctrico, líneas o superficies equipotenciales y la ruptura dieléctrica, [1]. A su vez, son unos conceptos quepor su dificultad en la experimentación y complejidad de la explicación teórica que conllevan, resultan difíciles de asimilar. Por todo ello, proponemos en este documento una simulación y demostración de los mismos, para su exhibición en clase o laboratorio. Nuestra experiencia docente en una materia fundamental para la ingeniería eléctrica como es el electromagnetismo, nos pone en evidencia laimportancia de potenciar algunos recursos complementarios a las clases de pizarra para mejorar el proceso enseñanza-aprendizaje. El contenido conceptual y la herramienta matemática necesaria para desarrollarlo hace que los estudiantes pierdan motivación e interés en la materia, si no se conecta con cuestiones que evidencien su relevancia industrial [2], [3], aplicaciones tecnológicas [4], [5] y suutilidad práctica [6]. En el presente documento se desarrolla una simulación numérica que ilustra los diferentes teoremas y magnitudes eléctricas analizadas, así como familiariza al estudiante con algunos de los conceptos que se exponen en un curso básico de electromagnetismo [7], [8]. El objetivo de estos ejemplos es el análisis cualitativo y posterior estudio cuantitativo mediante el uso delMétodo de Elementos Finitos (MEF) [9], [10] como entorno didáctico, de algunas propiedades y características de los campos eléctricos alrededor de los conductores. De esta manera, se efectuará la simulación del potencial, campo eléctrico, y superficies equipotenciales alrededor de un conductor de forma predeterminada (esférico, cilíndrico, plano, puntiagudo,...).

1. INTRODUCCIÓN.
Tanto en losnuevos planes de estudio de las Ingeniería Técnicas Industriales (dentro de sus especialidades de electrónica y especialmente de electricidad) como en los antiguos, el cuerpo de teoría asociado al campo eléctrico y magnético adquiere relevancia propia bien como asignatura independiente o bien enmarcada dentro de una asignatura de carácter más amplio como Fundamentos Físicos de la Ingeniería. Laimpartición de este bloque de materia a los estudiantes tiene como uno de sus objetivos básicos introducir los conceptos y leyes básicas sobre las que se apoyará gran parte de los contenidos técnicos que vendrán después. Esto, junto con el agravante del factor tiempo, invariablemente más escaso que lo que se desearía, ha colocado tradicionalmente al profesor encargado de la asignatura frente a ladisyuntiva de orientar su asignatura a una exposición rigurosa y fundamentada de conceptos (dejando la aplicabilidad para asignaturas posteriores como máquinas eléctricas, electrónica, instalaciones eléctricas...), o bien sacrificar parte del rigor en beneficio de una mayor conexión con usos prácticos de los conceptos que se están exponiendo. Por otra parte, el hecho de que la mayor parte del...