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FISICA II UNJFSC I.

ELECTROSTÁTICA

PREGUNTAS DE REPASO: 1. ¿Cuál de estas dos fuerzas puede ser de repulsión o de atracción: la fuerza gravitacional o la fuerza eléctrica? Supongamos el siguiente ejemplo: Imagina que hubiera una cantidad igual de partículas positivas que se repelen y ataren a la misma vez partículas negativas, de manera que esta grana fuerza estuviera perfectamente equilibrada. ¿Cómo sería el universo? La respuesta es sencilla seria como el que vemos y en el cual vivimos. Porque si hay esas partículas y si hay tal fuerza de atracción y repulsión. Se llama Fuerza Eléctrica. 2. La fuerza gravitacional depende de la propiedad llamada masa ¿De qué propiedad similar depende la fuerza eléctrica? Depende de la propiedad de la materia. 3. ¿En qué difiere la carga eléctrica de los protones de la de los electrones? La carga de un electrón tiene magnitud igual, pero signo contrario, que la carga de un protón. 4. ¿Los electrones de los átomos de hidrogeno son iguales a los electrones de los átomos de uranio? Sí, porque los electrones de todos los átomos son idénticos. Cada uno tiene la misma cantidad de carga eléctrica y la misma masa. 5. ¿Quién tiene más masa: un protón o un electrón? Los protones tienen unas 2000 veces más masa que los electrones. 6. ¿Cómo es el número de electrones de un átomo normal respecto al número de protones? En general los átomos tienen igual cantidad de electrones que de protones, por lo que el átomo tiene una carga neta igual acero. 7. a. ¿Cómo se comportan las cargas del mismo signo? Se repelen. b. ¿Cómo se comportan las cargas de signo contrario? Se atraen.

8. ¿En que se difiere un ion negativo de un ion positivo? En que un ion positivo tiene carga positiva y un ion negativo es un átomo que tiene uno o más electrones adicionales, y tiene carga negativa.

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FISICA II UNJFSC 9. a. Si transferimos electrones de una piel de gato a una barra de caucho por fricción, ¿Qué tipo de carga adquiere la barra: positiva o negativa? Negativa, ya que hay una transferencia de electrones de la piel a la barra, en estas condiciones, el caucho tiene un excedente de electrones. b. ¿y la piel de gato? Positiva, ya que tiene una deficiencia de electrones. 10. ¿Qué significa decir que la carga se conserva? Significa que cuando se carga algo no se crean ni se destruyen electrones. Solo pasan de un material a otro. 11. a. ¿En qué se parece la ley de Coulomb a la ley de la gravitación de Newton? En que disminuye inversamente respecto al cuadrado de la distancia entre los cuerpos que interactúan. b. ¿En que difieren estas leyes? En que en la Ley de Coulomb las fuerzas eléctricas son de atracción o de repulsión. 12. La unidad de masa del Sistema Internacional es el Kilogramo ¿Cuál es la unidad de carga del S.I? En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina coulomb (símbolo C). 13. La constante de proporcionalidad “K” de la Ley de Coulomb es enorme comparada con la constante “G” de la Ley de la Gravitación de Newton. ¿Qué significa esto en términos de la intensidad de estas fuerzas? La constante de proporcionalidad k de la Ley de Coulomb es similar a la G de la Ley de la Gravitación de Newton. En vez de ser un número muy pequeño como esa G (que es 6.67*10-11), en el caso de k es un número muy grande. Aproximadamente es igual a: k=9000000000 N*m2/C2 o bien en notación científica, k=9*109 N*m2/C2. 14. ¿A qué se debe que la fuerza de gravedad, siendo más débil, predomine sobre la fuerza eléctrica en los objetos astronómicos? Debido a que la mayoría de los objetos poseen el mismo número de electrones que de protones, las fuerzas eléctricas se cancelan usualmente. Por ejemplo, toda fuerza eléctrica entre la tierra y la luna se cancela. De esta forma, la fuerza de gravedad, mucho más débil y solo atractiva, se convierte en la fuerza predominante entre los cuerpos astronómicos. 15. ¿Por qué predominan las fuerzas eléctricas en átomos que están muy juntos? Si bien las fuerzas eléctricas se cancelan en el caso de los cuerpos astronómicos y de los objetos cotidianos, esto no siempre ocurre a nivel atómico. Los electrones de un átono pueden a veces encontrarse más cerca de

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FISICA II UNJFSC los protones de un átono vecino que de sus electrones. Entonces la fuerza de atracción que se ejerce entre estas partículas cargadas es mayor que la fuerza de repulsión. Si la atracción total es lo bastante intensa, los átomos pueden unirse para formar moléculas. 16. ¿Qué diferencia existe entre un buen conductor y un buen aislante? La diferencia es que en los buenos conductores sus átomos tienen uno o más electrones en su capa externa que no están anclados a núcleos de átomos determinados, por esto son libres para desplazarse a través del material en cambio en los buenos aislantes los electrones están fuertemente enlazados con determinados átomos, y pertenecen a ellos. Por tanto, no están libres para desplazarse entre otros átomos del material. 17. a. ¿Por qué los metales son buenos conductores? Los metales son buenos conductores de la corriente eléctrica por la misma razón por la que son buenos conductores de calor: los electrones de su capa atómica externa están “sueltos”. b. ¿A qué se debe que los materiales como el caucho o el vidrio sean buenos aislantes? Estos materiales son malos conductores de la corriente eléctrica por la misma razón que en general son deficientes conductores del calor. Se dice que estos materiales son buenos aislantes. 18. ¿Qué es un semiconductor? Dispositivo compuesto de un material no solo con propiedades de aislante y de conductor, sino también con resistencia que cambia repentinamente cuando cambian otras condiciones, como la temperatura, el voltaje, y los campos eléctricos y magnéticos. 19. ¿Qué es un superconductor? Material que es un perfecto conductor con cero resistencia al flujo de carga eléctrica. 20. a. ¿Cuáles son los tres métodos principales para cargar un objeto? Por fricción y por o, por inducción. b. ¿Cuál de ellos se lleva a cabo sin o físico? La carga por inducción, pues si acercamos un objeto cargado a una superficie conductora, haremos que se muevan los electrones en la superficie del material, aunque no haya o físico. 21. ¿Qué son los rayos y relámpagos?

Un rayo es una descarga eléctrica que se produce entre nubes de lluvia o entre una de estas nubes y la tierra. La descarga es visible con trayectorias sinuosas y de ramificaciones irregulares, a veces de muchos kilómetros de distancia. El fenómeno visible, como el de la foto, es conocido con el nombre de relámpago, mientras que la descarga eléctrica es el rayo.

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FISICA II UNJFSC 22. ¿Qué función desempeña un pararrayos? El pararrayos está conectado con alambre de uso rudo, para que pueda conducir una corriente muy grande al suelo, cuando atrae un rayo o relámpago. Lo más frecuente es que la carga salga por la punta y evite que se produzca un relámpago. El objetivo principal del pararrayos es evitar incendios causados por relámpagos. 23. ¿Qué significa que un objeto este estrictamente polarizado? Significa que se inducen cargas superficiales de igual magnitud y signo contrario en las superficies opuestas del material. 24. Cuando un objeto polariza a otro, ¿Por qué hay atracción entre ellos? Esto permite explicar por qué un objeto cargado puede atraer trocitos de papel neutros. Las moléculas del papel se polarizan; los lados de las moléculas cuya carga es contraria a la del objeto están más cerca de éste. La proximidad prevalece y los trocitos de papel experimentan una fuerza total de atracción. A veces se adhieren al objeto cargado y luego salen despedidos repentinamente. Esto indica que se han cargado por o: los trocitos de papel adquieren una carga del mismo signo que la del objeto y experimentan una fuerza de repulsión. 25. ¿Qué es un dipolo eléctrico? Muchas moléculas —como, por ejemplo, la de H2O— están eléctricamente polarizadas en su estado normal. La distribución de carga no es perfectamente homogénea. Hay un poco más de carga negativa de un lado de la molécula que del otro. Decimos que la molécula es un dipolo eléctrico.

PIENSA Y EXPLICA. 1. Las fuerzas eléctricas que se ejercen entre las cargas son enormes comparadas con las fuerzas gravitacionales. Empero normalmente no detectamos fuerzas eléctricas entre nosotros y nuestro entorno, si bien si sentimos nuestra interacción gravitacional con la tierra ¿A qué se debe esto? Se debe a que las cargas eléctricas pueden ser de dos tipos que denominamos como positivas y negativas, las del mismo signo se repelen mientras que de signos opuestos se atraen y en el universo existe la misma cantidad de carga de signo positivo como negativo, un cuerpo en general es neutro por lo que no apreciamos interacciones eléctricas entre ellos, mientras que todas las masas se atraen. 2. ¿Cuánto se reduce la fuerza eléctrica entre dos iones si duplicamos la distancia que los separa? ¿y si triplicamos?

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FISICA II UNJFSC 3. Si depositas electrones en tus zapatos arrastrando los pies sobre una alfombra, ¿qué tipo de carga adquieres: positiva o negativa? ¿Y la alfombra? Después de arrastrar los pies tienes menos electrones, por lo que adquieres una carga positiva (y la alfombra una carga negativa). 4. ¿Será necesario que el objeto cargado entre en o físico con las hojas del electroscopio para que éstas se abran? Defiende tu respuesta. No, porque solo basta con que el cuerpo cargado entre en o con la bolita de metal para que esta se abra o no. 5.

Di cómo se puede cargar un objeto positivamente con la única ayuda de un objeto cargado negativamente. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente, decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

6. Si una barra de vidrio que se ha frotado con una bolsa de plástico adquiere cierta carga, ¿por qué tiene la bolsa exactamente la misma cantidad de carga, pero con el signo contrario? Porque la carga eléctrica no es otra cosa sino el exceso (o la carencia) de electrones. Entonces lógico es que los electrones que gana la barra de vidrio sean exactamente los que la bolsa de plástico pierde. Es por eso que ambas cargas son equivalentes, aunque de signo opuesto. 7. ¿A qué se debe que un buen conductor de la electricidad sea también un buen conductor de calor? Según la teoría de electrones libres, un buen conductor tiene muchos electrones "libres" de moverse y debido a ello al aplicarse un voltaje (una batería, pila, etc.) los electrones se mueven y dando lugar a una corriente eléctrica. En el caso de que pongamos el cuerpo en una diferencia de temperaturas, los electrones libres del material comenzaran a vibrar con una energía cada vez mayor y transmitiendo dicha energía de vibración a los demás electrones, dando lugar a la conducción de calor. En este caso, si el material es conductor, los electrones tendrán la libertad de moverse y la energía de vibración se podrá difundir con mayor facilidad y producirá un material más conductor. Por lo tanto, un material de buena conductividad eléctrica tiene también buena conductividad térmica.

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FISICA II UNJFSC 8. Explica cómo puede un objeto cargado atraer a otro que es eléctricamente neutro. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste. 9. ¿Se escribiría igual la ley de Coulomb si los electrones fuesen positivos y los protones negativos? Si, por que el hecho de que ciertas cargas se denominen positivas y otras negativas es el resultado de una elección de Benjamín Franklin. Bien pudo ser a la inversa. 10. Los cinco mil millones de billones de electrones de una moneda de un centavo se repelen unos a otros. ¿Por qué no salen despedidos de la moneda? La mayor parte de los electrones está "encadenada" a un núcleo atómico y obligada recorrer una trayectoria en su entorno. También hay electrones libres, por supuesto, pero ese es otro asunto. En el o los metales que forman la moneda, los electrones de las subcapas tipo "d" tienen la posibilidad de migrar de un átomo al vecino, y por eso los metales conducen la electricidad y el calor. De todos modos, las fuerzas de repulsión eléctrica en esos electrones que están dentro de un campo eléctrico positivo fuerte generado por los protones nucleares no son significativas. Es más, se necesita la aplicación de una energía importante (energía de ionización) para sacarlos de su órbita (en realidad "orbital"), no tanto en los metales cuyos electrones más externos están menos atraídos por el núcleo pero más en los no metales en los que cuesta mucho o es casi imposible sacarlos de su ruta. Fíjese que ni el oxígeno, muy electronegativo, es capaz de quitarle electrones al flúor (el más electronegativo) y por eso no hay óxidos de flúor. Y mucho más adheridos al núcleo están los electrones de la última capa de un gas noble, tanto, que solamente en situaciones extremas se logra hacerlo y obtener compuestos, por ejemplo, del xenón. II.

CAMPO Y POTENCIAL ELECTRICO

1. ¿Qué significa la expresión acción a distancia? Interacción entre un cuerpo y la Tierra o entre sus centros de gravedad, para ser exactos. Los centros de gravedad están bastante alejados, así que se trata de una "acción a distancia". 2. ¿Cómo es que el concepto de campo elimina la idea de acción a distancia? Es usual considerar que los cohetes y las sondas espaciales lejanas interactúan con campos gravitacionales y no con las masas de la Tierra y otros cuerpos astronómicos que dan lugar a dichos campos. Del mismo modo en que el espacio que rodea a la Tierra o a cualquier otra masa está lleno de un campo

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FISICA II UNJFSC gravitacional, el espacio que rodea a toda carga eléctrica está lleno de un campo eléctrico. 3. ¿En qué se parecen un campo gravitacional y un campo eléctrico? En que influyen sobre los cuerpos cargados y masivos, respectivamente. 4. ¿Por qué se considera el campo eléctrico como una cantidad vectorial? Porque un campo eléctrico tiene tanto magnitud (intensidad) como dirección. 5. a. ¿Qué son las líneas de campo eléctrico? Son una forma más útil de describir un campo eléctrico. b. ¿Cómo son sus direcciones respecto a la dirección de la fuerza que se ejerce en una carga de prueba positiva en la misma región? Si la partícula tuviese carga positiva, los vectores estarían dirigidos hacia fuera. Los vectores apuntan siempre en la dirección de la fuerza que se ejercería sobre una carga de prueba positiva. 6. ¿Cómo indican las líneas de campo la intensidad de un campo eléctrico? La longitud de los vectores indica la magnitud o intensidad del campo. El campo eléctrico es más intenso en los puntos en que los vectores son largos que en aquellos en los que los vectores son cortos. 7. ¿Cómo se ven las líneas de campo eléctrico cuando el campo tiene la misma intensidad en todos los puntos de una región? Para una carga aislada, las líneas se prolongan hasta el infinito; para dos o más cargas opuestas, representaremos las líneas como si salieran de una carga positiva y terminaran en una carga negativa. 8. ¿Por qué no corre peligro el ocupante de un auto al que le cae un rayo? El ocupante del auto está totalmente a salvo, porque los electrones que caen como cascada sobre el auto se repelen mutuamente hacia la superficie metálica externa antes de pasar a tierra. En todo momento la configuración de electrones en la carrocería del auto es tal que se anula el campo eléctrico en el interior. Y esto ocurre en todo conductor cargado. Normalmente, el campo eléctrico en el interior de un conductor es cero. 9. ¿Qué intensidad tiene el campo eléctrico en el interior de un conductor cualesquiera? El campo eléctrico es nulo en el interior de un conductor. El conductor protege su interior del campo externo como un escudo. 10. a. ¿Puede hacerse un escudo para resguardarse de la gravedad? No se puede construir un escudo contra la gravedad porque la gravedad sólo atrae. No hay gravedad repulsiva para anular la gravedad atractiva.

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FISICA II UNJFSC b. ¿Puede hacerse un escudo para resguardarse de un campo eléctrico? Es muy sencillo construir un escudo para resguardarse del campo eléctrico. Basta rodearse, o rodear lo que se desea resguardar, de una superficie conductora. Coloca dicha superficie en un campó eléctrico de intensidad cualquiera. Las cargas libres de la superficie conductora se distribuirán de tal forma que se anulen sus contribuciones al campo eléctrico interno. a. ¿Qué relación existe entre la cantidad de trabajo que realizas sobre un objeto y su energía potencial? La realización de trabajo sobre el objeto hace aumentar su energía potencial gravitacional. 11. ¿Cómo puedes incrementar la energía potencial eléctrica de una partícula cargada que se encuentra en un campo eléctrico? La energía potencial eléctrica de una partícula cargada aumenta cuando se realiza trabajo sobre ella para moverla contra el campo eléctrico de algún otro objeto cargado. 12. ¿Qué sucede con la energía potencial eléctrica de una partícula cargada en un campo eléctrico cuando la dejes ir? Si dejas ir la carga, se acelerará alejándose de la esfera y su energía potencial eléctrica se transformará en energía cinética. 13. Establece claramente la diferencia entre ENERGIA POTENCIAL y POTENCIAL ELECTRICO. La diferencia es que el potencial eléctrico es la energía potencial eléctrica por unidad de carga. 14. Si realizas más trabajo para desplazar una carga cierta distancia contra su campo eléctrico aumentando así su energía potencial eléctrica, ¿Por qué no se incrementa también el potencial eléctrico? Porque el potencial eléctrico de cualquier cantidad de carga es el mismo en una misma posicion. 15. La unidad de energía potencial eléctrica del sistema Internacional es el Joule ¿Cuál es la unidad de potencial eléctrico en el Sistema Internacional? La unidad del Sistema Internacional que mide el potencial eléctrico es el volt. 16. Para que haya energía potencial eléctrica en un punto debe haber una carga ocupándolo ¿Es también preciso que haya una carga ocupando un punto para que haya potencial eléctrico en dicho punto? La energía potencial por unidad de carga, sea cual sea la cantidad de carga, es la misma en cualquier punto.

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FISICA II UNJFSC 17. ¿Cómo puede ser grande el potencial eléctrico cuando la energía potencial eléctrica es relativamente baja? Aunque el voltaje de un cuerpo es elevado, la energía potencial eléctrica es baja debido a que la cantidad de carga es pequeña. PIENSA Y EXPLICA 1. ¿En que se difieren un campo eléctrico de un campo gravitacional? Campo gravitacional siempre produce fuerzas de atracción. Campo eléctrico produce fuerzas de atracción o de repulsión dependiendo de la carga que se coloque dentro de él. 2. Los vectores que representan el campo gravitacional de la tierra están dirigidos hacia esta; los vectores que representan el campo eléctrico de un protón están dirigidos hacia afuera del protón. Explica a que se debe esto. Se debe a que los vectores apuntan siempre en la dirección de la fuerza que se ejercería sobre una carga de prueba positiva. Por lo tanto en el caso de la tierra la fuerza gravitatoria va en dirección hacia esta y por eso los vectores también van en esa dirección, de igual modo para el protón. 3. Si colocaras un electrón “libre” y un protón “libre” en un campo eléctrico, ¿Cómo sería la aceleración y dirección de desplazamiento del uno comparadas con las del otro? La aceleración del electrón será mucho mayor (aproximadamente 10.000 veces) que la que adquiera el protón. Hay que recordar que la aceleración y la masa son cantidades inversamente proporcionales, y la masa del protón es aproximadamente 10.000 veces mayor que la del electrón. 4.

Supón que la intensidad del campo eléctrico alrededor de una carga puntual aislada tiene cierto valor a una distancia de 1m. ¿Cómo será su valor a 2m de la carga en términos del valor a 1m.? ¿En qué ley se basa tu respuesta? Si a 1 metro el valor es de X; a 2 metros el valor será: X´= X/4; esto se basa en que el valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del lugar de apreciación.

5. Cuando se carga un conductor, la carga se desplaza a su superficie exterior. ¿A qué se debe esto? Como sabrás, los conductores, tiene muchos electrones libres, como los electrones entre sí se repelen, tratan de disparar del conductor, pero son atraídos por los protones del mismo, en esa lucha quedan mayormente en el interior los protones y los electrones libres tienden a estar afuera, y si hay una punta, será allí donde más se amontonan. La distribución no es uniforme.

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FISICA II UNJFSC 6. Supón que se carga un gabinete metálico. ¿Cómo será la concentración de carga de los vértices comparada con la concentración de carga de las caras planas? Defiende tu respuesta. Las fuerzas que se ejercen sobre una carga de prueba colocada en el interior de una esfera hueca cargada se anulan. La cubierta metálica protege los componentes eléctricos internos de los campos eléctricos externos. 7. a. Si realizas 12J de trabajo al empujar una carga de 0.001C en un campo eléctrico, ¿En qué cantidad aumenta su voltaje? Volt=12J/0.001C

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volt= 12000

b. Si la dejas ir, ¿Cuál será la energía cinética de la partícula al pasar por su posicion inicial? ¿En qué principio se basa tu respuesta? Al realizarse un trabajo de 12 J para desplazar la carga, esta adquiere una energía potencial. Ep=12J Dado que la fuerza eléctrica es conservativa, al volver la carga a su posicion inicial toda la energía potencial se convierte en energía cinética, de manera que la energía cinética de la partícula al pasar por la posicion inicial es también: Ec = 12 J 8. a. Si realizas 24J de trabajo al empujar una carga de 0.002C en un campo eléctrico, ¿En qué cantidad aumenta su voltaje? Volt=24J/0.002C

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volt= 12000

b. Si la dejas ir, ¿Cuál será la energía cinética de la partícula al pasar por su posición inicial? Al realizarse un trabajo de 12 J para desplazar la carga, esta adquiere una energía potencial. Ep=12J Dado que la fuerza eléctrica es conservativa, al volver la carga a su posicion inicial toda la energía potencial se convierte en energía cinética, de manera que la energía cinética de la partícula al pasar por la posicion inicial es también: Ec = 12 J

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