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Repblica Bolivariana de Venezuela La Universidad del Zulia Facultad de Ingeniera Ciclo Bsico Departamento de Fsica Asignatura: Fsica II PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE ELECTRICIDAD Profesora: Yolissa SIGUIENTE 1 INTRODUCCIN En este trabajo encontrars Preguntas y Respuestas sobre Electricidad, donde se presenta cada pregunta con su respectiva respuesta. En total son 70 preguntas, agrupadas de 10 en 10, segn la temtica que corresponda. Las temticas son: Carga elctrica y ley de Coulomb. Campo elctrico. Ley de Gauss. Potencial elctrico. Capacitancia.

Corriente y resistencia. Circuitos de corriente directa. Estas "Preguntas y Respuestas sobre Electricidad" se presenta bajo este formato digital, para facilitar una estrategia a docentes dedicados a la enseanza de la Electricidad; y, con la intencin de captar la atencin del estudiantado que est inmerso en el mundo de las TIC, y que puede tomar este trabajo como herramienta de estudio para su curso de Fsica II. Cada diapositiva cuenta con animacin para que cada estudiante lleve la secuencia en la que debe leer el contenido. ANTERIOR SIGUIENTE 2 PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE ELECTRICIDAD NDICE 1. La carga elctrica y la ley de Coulomb 1 2

3 4 5 6 7 8 9 10 2. El campo elctrico 11 12 13

14 15 16 17 18 19 20 3. La ley de Gauss 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30 4. El potencial elctrico 31 32 33 34 35

36 37 38 39 40 5. Capacitancia y dielctricos 41 42 43 44 45 46

47 48 49 50 6. Corriente y resistencia 51 52 53 54 55 56 57

58 59 60 7. Circuitos de corriente directa 61 62 63 64 65 66 67 68

69 70 ANTERIOR INICIO SIGUIENTE 3 1. LA CARGA ELCTRICA Y LA LEY ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 4

Pregunta 1 Explique el significado de la expresin "un tomo neutro". Explique el significado de un tomo cargado negativamente. Respuesta Un tomo neutro es aquel que no tiene carga neta. Esto significa que tiene el mismo nmero de electrones en rbita alrededor del ncleo, as como de protones en el ncleo. Un tomo con carga negativa tiene uno o ms electrones en exceso. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 5 Pregunta 2 Un peine cargado con frecuencia atrae pequeos fragmentos de papel seco que posteriormente vuelan cuando alguien toca el peine.

Explique este comportamiento. Respuesta Cuando el peine est cerca, las molculas en el papel se polarizan, y el papel se siente atrado. Durante el contacto, la carga en el peine se transfiere al papel por la conduccin. Luego, el papel tiene la misma carga que el peine, y es repelido. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 6 Pregunta 3 Pueden cargarse los aislante por induccin? Respuesta No. Para cargar un cuerpo por induccin, deben tener cargas que son libres de moverse en el cuerpo. Un aislante no tiene tales

cargas. 7 Pregunta 4 El personal de un hospital debe usar zapatos conductores especiales cuando trabaja en el quirfano cerca de oxgeno puro. Por qu? Compare lo que ocurrira si utilizaran zapatos con suela de hule. Respuesta Para evitar que se realice una chispa. Los zapatos de suela de hule adquieren una carga por friccin con el suelo y podra descargarse con una chispa, causando posiblemente una explosin de cualquier material inflamable en la atmsfera enriquecida de oxgeno. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 8

Pregunta 5 Explique desde un punto de vista atmico por qu la carga usualmente se transfiere por electrones. Respuesta Los electrones son menos abundantes y ms mviles que los protones. Adems, es ms fcil separar de tomos que los protones. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 9 Pregunta 6 Por qu es ms difcil cargar un objeto por frotamiento en un da hmedo que en un da seco?. Respuesta

Todos los componentes del aire son no polares, excepto para el agua. Las molculas polares del agua en el aire roba con bastante facilidad la carga de un objeto cargado, como cualquier profesor de fsica tratando de realizar demostraciones electroestticas bien conocidas en el verano. Como resultado de esto, es difcil acumular grandes cantidades de exceso de carga sobre un objeto en un clima hmedo. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 10 Pregunta 7 Cules son las similitudes y diferencias entre la ley de gravitacin de Newton, Fg = Gm1m2/r, y la ley de coulomb Fe = ke q1q2/r? Respuesta Similitudes: Una fuerza de gravedad es proporcional a los productos de las propiedades intrnsecas (masas) de dos partculas, e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separacin. Una fuerza elctrica exhibe las mismas proporcionalidades, con carga como la propiedad intrnseca. Diferencias: La fuerza elctrica puede atraer o repeler, mientras que la fuerza gravitacional descrita por la ley de Newton slo puede atraer. La fuerza elctrica entre las partculas elementales es mucho ms fuerte que la fuerza gravitacional. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 11 Pregunta 8 Sera la vida diferente si el electrn se carga positivamente y el protn se carga negativamente? Tiene la eleccin de los signos alguna incidencia en las interacciones fsicas y qumicas? Explique. Respuesta

No. La vida no seria diferente si los electrones estuvieran cargados positivamente y los protones estuvieran cargados negativamente. Cargas opuestas se seguiran atrayendo, y cargas diferentes se repeleran. La asignacin de carga positiva y negatividad es simplemente una convencin. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 12 Pregunta 9 Un globo se carga negativamente por frotamiento y despus se adhiere a una pared. Esto significa que la pared est cargada positivamente? Por qu despus de cierto tiempo el globo finalmente se cae? Respuesta No. El globo induce la polarizacin de las molculas en la pared, de manera que una capa de carga positiva existe cerca del globo. La

atraccin entre estas cargas y las cargas negativas en el globo es ms fuerte que la repulsin entre las cargas negativas en el globo y las cargas negativas en las molculas polarizadas (porque estn ms lejos del globo), de manera que hay una fuerza atractiva neta hacia la pared. Los procesos de ionizacin en el aire que rodea al globo proporcionan los iones para que el exceso de electrones en el globo pueda ser transferido, reduciendo la carga en el globo y eventualmente causando que la fuerza atractiva sea insuficiente para soportar el peso del globo. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 13 Pregunta 10 Considere dos cargas puntuales iguales separadas por una distancia d. En qu punto (aparte de ) una tercera carga de prueba no experimentara fuerza neta?

Respuesta En un punto exactamente a medio camino entre las dos cargas. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 14 2. EL CAMPO ELCTRICO ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 15

Pregunta 11 Una ligera esfera metlica descargada que est suspendida de un hilo es atrada hacia una barra de caucho cargada. Despus de tocar la barra sta repele a la esfera. Explique. Respuesta El campo elctrico debido a la barra cargada induce cargas en los lados cercanos y lejanos de la esfera. La fuerza atractiva de Coulomb entre la carga de la barra y la carga de signo diferente en el lado cercano de la esfera es ms grande que la fuerza repulsiva de Coulomb de la carga de la barra con la carga en el otro lado de la esfera. El resultado es una atraccin neta de la esfera a la barra. Cuando la esfera toca la barra, la carga se transfiere entre la barra y la esfera, dejando a ambos, la barra y la esfera con carga del mismo signo. Esto resulta en una fuerza repulsiva de Coulomb. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

16 Pregunta 12 Un lpiz de madera est envuelto por una hoja ligera de aluminio. Cuando a la hoja de aluminio se le acerca una varilla con una carga positiva, los dos extremos de la hoja se separan. Por qu? Qu tipo de carga tiene la hoja? Respuesta El campo elctrico debido a una varilla cargada induce una carga en la hoja de aluminio. Si la varilla es acercada hacia el aluminio por encima, la parte superior del aluminio tendr una carga negativa inducida en ella, mientras que las partes que cubran el lpiz puede tener una carga positiva inducida en ella. Estas cargas positivas inducidas en las dos partes da lugar a una fuerza repulsiva de Coulomb. Si el lpiz es buen aislante, la carga neta en el aluminio puede ser cero. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

17 Pregunta 13 Al definir el campo elctrico, por qu es necesario especificar que la magnitud de la carga de prueba es muy pequea (es decir, por qu es necesario tomar el lmite de Fe /q cuando q 0)? Respuesta De esta manera el campo elctrico creado por la carga de prueba no distorsiona el campo elctrico que se est tratando de medir, moviendo las cargas que se crean. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 18 Pregunta 14 Cmo distinguira experimentalmente un campo elctrico de un

campo gravitacional? Respuesta Con un presupuesto muy alto, puedes enviar primero un protn y luego un electrn en una regin evacuada en la cual el campo exista. Si el campo es gravitacional, ambas partculas experimentarn una fuerza en la misma direccin, mientras que experimentarn fuerzas en direcciones opuestas si el campo es elctrico. En una escala ms prctica, adhiera esferas de mdula vegetal idntica en cada extremo de un palillo de dientes. Cargue una esfera + y la otra , creando un dipolo de gran escala. Cuidadosamente suspenda este dipolo por su centro de masa de manera que pueda girar libremente. Una vez suspendido en el campo en cuestin, el dipolo girar para alinearse con un campo elctrico, mientras que no lo har para un campo gravitacional. Si el dispositivo de prueba no gira, asegrese de insertarlo dentro del campo en ms de una orientacin en caso de que se haya alineado con el campo elctrico cuando lo insert en la primera prueba. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

19 Pregunta 15 Cundo es vlido aproximar una distribucin de carga por medio de una carga puntual? Respuesta Si una distribucin de carga es pequea comparada a la distancia de un punto del campo a sta, la distribucin de carga puede ser modelada como una sola partcula con carga igual a la de la carga neta de la distribucin. Ms, si una distribucin de carga es de simetra esfrica, se crear un campo en puntos exteriores justo como si toda su carga fuera un punto de carga en el centro. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 20

Pregunta 16 Un electrn libre y un protn libre se colocan en un campo elctrico idntico. Compare las fuerzas elctricas que acta sobre cada partcula. Comparar sus aceleraciones. Respuesta Las fuerzas elctricas que actan sobre las partculas tienen la misma magnitud, pero direcciones opuestas. El electrn tendr una aceleracin mucho ms grande (por un factor de aproximadamente 2000) que el protn, debido a que su masa es mucho ms pequea. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 21 Pregunta 17 Explique qu sucede con la magnitud del campo elctrico de una carga puntual cuando r tiende a cero.

Respuesta El campo elctrico generado alrededor de una carga puntual tiende a infinito cuando r se aproxima a cero. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 22 Pregunta 18 Una carga negativa se coloca en una regin del espacio donde se dirige el campo elctrico verticalmente hacia arriba. Cul es la direccin de la fuerza elctrica experimentada por este cargo? Respuesta Verticalmente hacia abajo. ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 23 Pregunta 19 Explique las diferencias entre las densidades de carga lineal, superficial y volumtrica, y d ejemplos de cundo se usara cada una. Respuesta La densidad de carga lineal, , es la carga por unidad de longitud. Se utiliza cuando se trata de determinar el campo elctrico creado por una varilla cargada. La densidad de carga superficial, , es la carga por unidad de superficie. Se utiliza para determinar el campo elctrico sobre una lmina o disco cargado. La densidad de carga volumtrica, , es la carga por unidad de volumen. Se utiliza para determinar el campo elctrico debido a una esfera de material aislante uniformemente cargado. ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 24 Pregunta 20 Sera la vida diferente si el electrn se carga positivamente y el protn se carga negativamente? Tiene la eleccin de los signos alguna incidencia en las interacciones fsicas y qumicas? Explique. Respuesta No. La vida no seria diferente si los electrones estuvieran cargados positivamente y los protones estuvieran cargados negativamente. Cargas opuestas se seguiran atrayendo, y cargas diferentes se repeleran. La asignacin de carga positiva y negatividad es simplemente una convencin. ANTERIOR INICIO NDICE

SIGUIENTE 25 3. LA LEY DE GAUSS ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 26 Pregunta 21 Establezca una comparacin entre la ley de Coulomb y la ley de Gauss. Respuesta La ley de Coulomb es til para calcular campos elctricos creados por cargas puntuales, es decir, de tamao muy pequeo. Para calcular campos elctricos creados por distribuciones de carga extensas, como por ejemplo, el campo creado por un hilo metlico cargado uniformemente, aunque se puede resolver por integracin de la ley de Coulomb, es ms sencillo aplicar el teorema de Gauss. Ahora

bien, este teorema no sirve para calcular el campo en cualquier caso. Se precisa que la carga est distribuida de acuerdo con una cierta simetra, central, axial o especular, es decir, simetra respecto de un punto, una lnea recta, o un plano. Y en los casos de simetra axial y especular se precisa adems que las dimensiones de la distribucin de carga tenga dimensiones muy grandes comparadas con la distancia a la que se desea calcular el campo. Si se cumplen estas condiciones, es fcil calcular el campo elctrico en casos en los que, por integracin, sera muy complicado o imposible hallar. Para ello, se aplica la definicin de flujo elctrico a travs de una superficie CERRADA que pase por el punto en el que se desea calcular el campo, y que tenga la misma simetra que la distribucin de carga, . La integral es una integral de superficie extendida a una superficie cerrada. Si la superficie no es cerrada, no es vlido el procedimiento. Por razones de simetra se puede asegurar que el campo E, en magnitud, tiene el mismo valor en todos los puntos de la superficie que hayamos considerado, y, por tanto, puede salir fuera de la integral, con lo cual el clculo de la integral se simplifica y, en general, es muy fcil de resolver. Por otra parte, si se aplica el teorema de Gauss, que establece que el flujo del campo elctrico a travs de una superficie cerrada es , siendo la carga total, o neta, contenida dentro del volumen que encierra dicha superficie, es decir la suma algebrica de las cargas, tenemos dos igualdades cuyos primeros miembros son iguales. Igualando los segundos, se obtiene, , de donde se puede despejar el campo E. El resto del clculo, como ya he dicho, es, en general, muy sencillo. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 27 Pregunta 22 El Sol est ms bajo en el cielo durante el invierno de lo que est en verano. Cmo cambia esto el flujo de la luz solar que golpea un rea dada de la superficie de la Tierra? Cmo esto afecta esto al clima? Swq1| Respuesta El flujo luminoso en un rea dada es menor cuando el sol est bajo en el cielo, porque el ngulo entre los rayos del sol y el vector de rea local, dA, es mayor que cero. El coseno de este ngulo se reduce. La disminucin del flujo resulta, en promedio, en clima ms fro. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 28 Pregunta 23 Si el campo elctrico en una regin del espacio es igual a cero, puede usted concluir que no hay cargas elctricas en esa regin? Explique. Respuesta Si la regin es slo un punto, lnea o plano, no. Consideremos dos protones en el espacio vaco de otro modo, el campo elctrico es cero en el punto medio de la lnea que une los protones. Si la regin libre de campo es de tres dimensiones, entonces no puede contener carga, pero podra estar rodeado de carga elctrica. Considere el interior de una esfera de metal con carga esttica. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 29 Pregunta 24 Si ms lneas de campo elctrico salen de una superficie gaussiana que las que entran? Qu puede usted concluir acerca de la carga neta encerrada por dicha superficie? Respuesta La superficie debe tener dentro una carga positiva total. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 30

Pregunta 25 Un campo elctrico uniforme existe en una regin espacio en la cual no hay cargas? Qu puede usted concluir acerca del flujo elctrico neto a travs de una superficie gaussiana ubicada en esa regin de espacio? Respuesta El flujo neto a travs de una superficie gaussiana es cero. Lo podemos argumentar de dos formas o manera. Cualquier superficie que contiene carga cero, como lo dice la ley de Gauss, el flujo total es cero. El campo es uniforme, as que las lneas de campo que entran de un lado de la superficie cerrada salen del otro lado y el flujo neto es cero. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 31

Pregunta 26 Explique por qu el flujo elctrico a travs de una superficie cerrada con una carga encerrada determinada es independiente del tamao o la forma de la superficie. Respuesta El flujo elctrico a travs de una esfera alrededor de una carga puntual es independiente del tamao de la esfera. Una esfera de radio mayor tiene un rea ms grande, pero un campo ms pequeo en su superficie, de manera que el producto de la intensidad del campo y rea es independiente del radio. Si la superficie no es esfrica, algunas partes estn ms cercanas de la carga que otras. En este caso tambin, reas ms pequeas van proyectadas con campos ms fuertes, de modo que el flujo neto no se ve afectado. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

32 Pregunta 27 Considere el campo elctrico debido a un plano infinito no conductor que tiene una densidad de carga uniforme. Explique por qu el campo elctrico no depende de la distancia desde el plano en funcin del espaciamiento de las lneas del campo elctrico. Respuesta La visualizacin de Faraday de las lneas de campo elctrico da una visin a esta pregunta. Considere la posibilidad de que una seccin de una lmina vertical llevara una carga de un coulombio. Se tiene 1/ 0 lneas de campo apuntando hacia fuera de forma horizontal a la derecha e izquierda, todos uniformemente espaciados. Las lneas tienen el mismo espaciamiento uniforme cercano a la hoja y muy lejos, demostrando que el campo tiene el mismo valor en todas las distancias. ANTERIOR INICIO NDICE

SIGUIENTE 33 Pregunta 28 Use la ley de Gauss para explicar por qu las lneas del campo elctrico deben empezar o terminar en cargas elctricas. (Sugerencia: Cambie el tamao de la superficie gaussiana). Respuesta Considere cualquier punto, zona, u objeto donde las lneas del campo elctrico comienzan. Rodelo con una superficie gaussiana ajustada. Las lneas que van hacia el exterior a travs de la superficie constituyen un flujo neto positivo. Entonces la ley de Gauss afirma que la carga neta positiva debe estar dentro de la superficie: es donde las lneas comienzan. Del mismo modo, cualquier lugar donde las lneas de campo elctrico terminan deben estar dentro de una superficie gaussiana pasando un flujo neto negativo, y debe estar una carga negativa. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 34 Pregunta 29 Con la base en la naturaleza de la fuerza repulsiva entre cargas iguales y la libertad de movimiento de las cargas dentro de un conductor, explique por qu el exceso de cargas en un conductor aislado debe residir sobre su superficie. Respuesta Inyecte alguna carga en lugares arbitrarios dentro de un objeto conductor. Cada pedacito de la carga repele a cada otro pedacito, por lo que cada pedacito se escapa en la medida de sus posibilidades, detenindose solo cuando llega a la superficie externa del conductor. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 35 Pregunta 30 Una persona se coloca dentro de una gran esfera metlica hueca que est aislada de la tierra. Si una gran carga se coloca en la esfera, la persona resultar lastimada si toca el interior de la esfera? Explique qu suceder si la persona tiene tambin una carga inicial cuyo signo es opuesto al de la carga en la esfera. Respuesta Si la persona no est cargada, el campo elctrico dentro de la esfera es cero. La pared interior de la cscara no lleva carga. La persona no es herida por tocar la pared. Si la persona lleva una carga q (pequea), el campo elctrico dentro de la esfera ya no ser cero. La carga q es inducida en la pared interna de la esfera. La persona va a recibir un (pequeo) choque cuando toque la esfera, ya que la carga en su cuerpo salta al metal. ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 36 4. EL POTENCIAL ELCTRICO ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 37 Pregunta 31 Establezca la distincin entre potencial elctrico y energa potencial elctrica. Respuesta

Energa potencial elctrica es la energa que posee un sistema de cargas elctricas debido a su posicin, en cambio el potencial elctrico es la cantidad de energa potencial elctrica que hay por una unidad de carga, en un punto. Tambin se puede entender por potencial elctrico en un punto al cociente entre el trabajo que hay que hacer para mover una carga desde el infinito, hasta el punto, y la carga que se mueve. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 38 Pregunta 32 Una carga negativa se mueve en direccin de un campo elctrico uniforme. La energa potencial de la carga aumenta o disminuye?, sta se mueve a una posicin de potencial mayor o menor? Respuesta Si se mueve en la direccin del campo, podemos suponer que se mueve desde las cercanas de una carga positiva hacia una carga negativa (o

desde cerca de una carga negativa a un lugar an ms cercano), entonces al ser negativa la carga que se mueve va a ir frenando, disminuyendo su velocidad, en consecuencia su energa potencial aumenta (ya que disminuye su energa cintica). Y, se mueve de un potencial elctrico mayor a uno menor, esto se justifica debido a que se acerca a una supuesta carga negativa. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 39 Pregunta 33 Proporcione una explicacin fsica del hecho de que la energa potencial de un par de cargas iguales es positiva mientras que la correspondiente a un par de cargas diferentes es negativa. Respuesta La energa potencial negativa corresponde a un sistema atractivo, y si es positiva corresponde a uno repulsivo. Un par de cargas del mismo tipo se

repelen entre s, y si son de diferentes tipos se atraen entre s. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 40 Pregunta 34 Un campo elctrico uniforme es paralelo al eje x. En qu direccin puede desplazarse una carga en este campo sin que se haga ningn trabajo externo sobre la misma? Respuesta Debe moverse entre puntos de igual potencial, as el trabajo ser nulo. Esto ocurre en direccin perpendicular al campo elctrico. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 41 Pregunta 35 Explique por qu las superficies equipotenciales perpendiculares a las lneas de campo elctrico. son siempre Respuesta Si una lnea de campo no fuera perpendicular a una superficie equipotencial, entonces tendra una componente paralela a la superficie, y si quisiera mover una carga en la direccin de esa componente del campo se tendra que realizar trabajo. Pero eso contradice el concepto de superficie equipotencial, en una superficie equipotencial se pueden mover cargas sin realizar trabajo ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 42 Pregunta 36 Describa las superficies equipotenciales para a) una lnea infinita de carga, b) una esfera cargada uniformemente. Respuesta Una superficie equipotencial a una lnea infinita de carga sera un cilindro de altura infinita con la lnea de carga en su eje central. Una superficie equipotencial en torno a una esfera cargada uniformemente es otra esfera concntrica a la que posee la carga. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

43 Pregunta 37 Explique por qu, en condiciones estticas, todos los puntos en un conductor debe estar al mismo potencial elctrico. Respuesta Si hay dos puntos de un conductor que tienen diferente potencial elctrico, entonces una carga elctrica (un electrn por ejemplo) se movera entre las cargas y se registrara una corriente elctrica, pero se est diciendo que se est en condiciones estticas, y en esa condicin no puede haber corriente elctrica. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 44 Pregunta 38

Caminar sobre una alfombra y tocar despus a alguien puede producir una descarga elctrica. Explique la razn por la que ocurre lo anterior. Respuesta Al caminar sobre una alfombra nos estamos cargando electrostticamente, por friccin, y as cualquier parte de nuestro cuerpo queda con carga, con potencial elctrico diferente de cero. Si as tocamos a una persona, esa persona puede estar con potencial cero, y habra entre ambas personas una diferencia de potencial que puede traducirse en una descarga elctrica. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 45 Pregunta 39 Por qu es importante evitar los bordes o puntos afilados sobre conductores utilizados en equipos de alto voltaje?

Respuesta En los bordes y puntas se acumula mucha carga elctrica, por lo tanto en las cercanas de esos lugares se registra un gran potencial elctrico, y si nos acercamos a ellos con nuestro potencial cero, por estar en contacto con tierra, establecemos una gran diferencia de potencial y, por ello, puede producirse una descarga elctrica desde el punto de alto potencial al de potencial cero (nosotros) y recibiramos la descarga. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 46 Pregunta 40 Cul es la seguridad relativa al permanecer en un automvil con una carrocera metlica durante una intensa tormenta? Respuesta Si nos llegar un rayo. Desde el punto de vista elctrico tendramos bastante seguridad, debido a que la carrocera metlica acta como jaula

de Faraday, en donde la carga elctrica que acumule queda en su exterior. Pero trmicamente estaramos en gran peligro. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 47 5. CAPACITANCIA Y DIELCTRICO ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 48

Pregunta 41 Las placas de un capacitor estn conectadas a una batera. Qu ocurre con la carga en las placas si los alambres de conexin se quitan de la batera? Qu pasa con la carga si los alambres se quitan de la batera y se conectan entre si? Respuesta Nada ocurre a la carga si los cables son desconectados. Si los cables estn conectados el uno al otro, las cargas en el nico conductor que ahora existe se mueven entre los cables y las placas hasta que el conductor entero se encuentre en un solo potencial y el capacitor es descargado. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 49

Pregunta 42 Un par de capacitores se conectan en paralelo mientras un par idntico se conecta en serie. Qu par sera ms peligroso de manejar despus de haberse conectado a la misma fuente de voltaje? Explique. Respuesta Los capacitores conectados en paralelo almacenan ms energa, ya que tienen una mayor capacidad equivalente. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 50 Pregunta 43 Qu ventaja habra al usar dos capacitores idnticos en paralelos conectados en serie con otro par en paralelo idntico, en lugar de

usar un solo capacitor? Respuesta Este arreglo disminuira la diferencia de potencial entre las placas de cualquier capacitor en un factor de dos, por lo tanto disminuira la posibilidad de una ruptura dielctrica. Dependiendo de la aplicacin, esto puede ser la diferencia entre la vida y la muerte de algn otro (que probablemente sea ms costoso) componente elctrico conectado a los capacitores. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 51 Pregunta 44 Puesto que la carga neta en un capacitor siempre es cero, qu almacena un capacitor?

Respuesta Un capacitor almacena energa en el campo elctrico entre las placas. Esto se observa ms fcilmente cuando se usa un capacitor desarmable. Si el capacitor est cargado, cuidadosamente tire de l apartando en sus piezas componentes. Se puede encontrar que una pequea carga residual permanece en cada una de las placas. Cuando es rearmado, el capacitor es cargado de repente - por induccin - debido al campo elctrico que es establecido y almacenado en el dielctrico. Esto se prueba en una clase demostrativa, especialmente cuando le pide un estudiante reconstruir el capacitor sin usar los guantes u otro material aislante. (Por supuesto, esto despus que l firmar una renuncia de responsabilidad). ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 52 Pregunta 45 Por qu es peligroso tocar las terminales de un capacitor de alto voltaje incluso

despus de que el voltaje aplicado se ha eliminado? Qu puede hacerse para lograr que un capacitor se maneje con seguridad despus de que se ha quitado la fuente de voltaje? Respuesta Un capacitor almacena energa en el campo elctrico dentro del dielctrico. Una vez que la fuente de voltaje externa se retira - con tal que no haya una resistencia externa a travs del cual el capacitor se pueda descargar - el condensador puede retener esta energa por un largo perodo de tiempo. Para hacer que el capacitor sea seguro de manejar, se puede descargar por medio de un conductor, como un destornillador, siempre que solo se toque el mango aislante. Si el capacitor es grande, lo mejor es usar una resistencia externa para descargar el capacitador lentamente para prevenir daos en el dielctrico, o al soldado del destornillador para los terminales del condensador. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 53

Pregunta 46 Si la diferencia de potencial a travs de un capacitor se duplica, en qu factor cambia la energa almacenada? Respuesta La energa es proporcional al voltaje al cuadrado. Se hace cuatro veces grande. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 54 Pregunta 47 Describe cmo puede aumentar el voltaje de operacin mxima de un capacitor de placas paralelas para una separacin de las placas fija. Respuesta

Poner un material con mayor fuerza dielctrica entre las placas, o evacuar el espacio entre las placas. A voltajes muy altos, es preferible refrescar las placas o elegir que stas estn hechas de un material diferente qumicamente ms estable, porque los tomos en las mismas placas pueden ionizarse, mostrando emisin trmica bajo altos campos elctricos. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 55 Pregunta 48 Un capacitor lleno de aire se carga, luego se desconecta del suministro de energa elctrica, y por ltimo se conecta a un voltmetro. Explique cmo y por qu las lecturas del voltaje cambian cuando se inserta un dielctrico entre las placas del capacitor.

Respuesta La diferencia de potencial debe disminuir. Puesto que no hay un suministro externo de alimentacin, la carga en el capacitor, Q, debe permanecer constante esto asumiendo que la resistencia del medidor es lo suficientemente grande. Aadiendo un dielctrico aumenta la capacitancia, lo que por lo tanto disminuye la diferencia de potencial entre las placas. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 56 Pregunta 49 Con la descripcin de la molcula polar de un dielctrico, explique

como un dielctrico afecta el campo elctrico en el interior de un condensador. Respuesta Cada molcula polar acta como una aguja de brjula elctrica, alinendose con el campo elctrico externo creado por las placas cargadas. La contribucin de estos dipolos elctricos que sealan en la misma direccin reduce el campo elctrico neto. Como cada dipolo cae en una configuracin de energa potencial ms baja esto puede contribuir a aumentar la energa interna del material. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 57 Pregunta 50 Explique por qu un dielctrico aumenta el voltaje de operacin

mximo de un capacitor aunque el tamao fsico de este no cambie. Respuesta El material dielctrico puede ser capaz de soportar un campo elctrico ms grande que el aire, sin interrumpir el paso de una chispa entre las placas del condensador. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 58 6. CORRIENTE Y RESISTENCI ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 59 Pregunta 51 En una analoga entre la corriente elctrica y el flujo de trfico automotriz, a qu correspondera la carga? y a qu correspondera la corriente? Respuesta Vehculos individuales, automviles, camiones y motocicletas, corresponderan a la carga. El nmero de vehculos que pasan por un punto determinado en un momento dado se correspondera con la corriente. ANTERIOR INICIO NDICE

SIGUIENTE 60 Pregunta 52 Cul es la diferencia entre resistencia y resistividad? Respuesta Resistencia es una propiedad fsica del conductor basado en el material del que est hecho, y su tamao y forma, incluyendo los lugares donde la corriente entra y sale. Resistividad es una propiedad fsica solamente del material del que el resistor est hecho. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 61

Pregunta 53 En la comparacin del agua con un circuito elctrico, qu elemento corresponde a la alimentacin elctrica, al resistor, la carga y la diferencia de potencial? Respuesta Una fuente de alimentacin correspondera a una bomba de agua; una resistor corresponde a un tubo de un cierto dimetro, y por lo tanto la resistencia al flujo; la carga corresponde al agua misma; la diferencia de potencial corresponde a la diferencia de altura entre los extremos de un tubo o los puertos de una bomba de agua. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 62

Pregunta 54 Emplee la teora atmica de la materia para explicar por qu la resistencia de un material debe aumentar cuando crece su temperatura. Respuesta En un metal, los electrones de conduccin no estn fuertemente ligados a los ncleos de iones individuales. Ellos se pueden mover en respuesta al campo elctrico aplicado para constituir una corriente elctrica. Cada ion metlico en la red de un microcristal ejerce fuerzas de Coulomb sobre sus vecinos. Cuando un ion esta vibrando rpidamente, puede colocar a sus vecinos en vibracin. Este proceso representa la energa en movimiento a travs de un material a consecuencia del calor. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

63 Pregunta 55 Hemos visto que en el interior de un conductor que transporta una corriente debe existir un campo elctrico. Cmo es posible lo anterior si en el estudio de la electrosttica llegamos a la conclusin de que el campo elctrico en el interior de un conductor debe ser igual a cero? Respuesta Un conductor no est en equilibrio electrosttico cuando ste est trasportando una corriente. Si las cargas se colocan en un conductor aislado, los campos elctricos establecidos en el conductor por las cargas harn que las cargas se muevan hasta que estn en posiciones tal que el campo elctrico es cero a travs del conductor. Un conductor que lleva una corriente constante no es un caso de conductor aislado sus extremos deben estar conectados a una fuente de fem, tal como una batera. La batera mantiene una diferencia de potencial a lo largo del conductor y, por lo tanto, un campo elctrico en el conductor. La corriente constante se debe a la respuesta de los electrones en el conductor debido a este campo elctrico

constante. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 64 Pregunta 56 Explique cmo una corriente puede superconductor sin ningn voltaje aplicado. persistir en un Respuesta Una corriente seguir existiendo en un superconductor sin

voltaje, porque no hay prdida de resistencia. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 65 Pregunta 57 Por qu un buen conductor elctrico, podra tambin ser un buen conductor trmico? Respuesta La amplitud de las vibraciones atmicas aumenta con la temperatura. A continuacin, los tomos, pueden dispersar los electrones de manera ms eficiente. ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 66 Pregunta 58 Si las cargas fluyen muy lentamente a travs de un metal, por qu no es necesario que pasen horas para que se encienda una luz cuando usted activa el interruptor? Respuesta Debido a que hay tantos electrones en un conductor (aproximadamente 1028 electrones / m3) la velocidad media de las tasas es muy lenta. Cuando se conecta un cable a una diferencia de potencial, se establece un campo elctrico en todo el alambre de forma casi instantnea, para hacer que los electrones comiencen a moverse en todas partes al mismo tiempo. ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 67 Pregunta 59 Dos conductores de igual longitud y radio estn conectados a la misma diferencia de potencial. La resistencia de uno de los conductores es dos veces la del otro. A cul se le entrega ms potencia? Respuesta Ms potencia es entregada al resistor con la menor resistencia, ya que . ANTERIOR INICIO NDICE

SIGUIENTE 68 Pregunta 60 Dos bombillas de luz operan a 120 V. Una tiene una potencia de 25 W y la otra de 100 W. Cul de las bombillas tiene mayor resistencia? Cul de las bombillas utiliza ms corriente? Respuesta , lo que implica que la bombilla de 25 W tiene una mayor resistencia. Como , la bombilla de 100 W tiene ms corriente. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 69

7. CIRCUITOS DE CORRIENT ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 70 Pregunta 61 Cmo conectara resistores de manera que la resistencia equivalente sea ms grande que la resistencia individual ms grande? De un ejemplo que incluya tres resistores. Respuesta Conecte las resistencias en serie. Resistencias de 5.0 k, 7.5 k y , 7.5 k, 7.5 k y y 2.2 k, 7.5 k y conectadas en series presentarn resistencias equivalentes de 14.7 k, 7.5 k y .

ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 71 Pregunta 62 Cmo conectara resistores de manera que la resistencia equivalente sea ms pequea que la resistencia individual ms pequea? Brinde un ejemplo que incluya tres resistores. Respuesta Conecte las resistencias en paralelo. Resistencias de 5.0 k, 7.5 k y , 7.5 k, 7.5 k y y 2.2 k, 7.5 k y conectadas en paralelo presentarn resistencias equivalentes de 1.3 k, 7.5 k y ANTERIOR

INICIO NDICE SIGUIENTE 72 Pregunta 63 Cuando los resistores estn conectados en serie, cul de los siguientes conceptos sera el mismo para cada resistor: diferencia de potencial, corriente o potencia? Respuesta En serie, la corriente es la misma a travs de cada resistor. Sin saber las resistencias individuales, nada puede ser determinado con respecto a la diferencia de potencial o la potencia. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 73 Pregunta 64 Cuando los resistores estn conectados en paralelo, cul de los siguientes conceptos sera el mismo para cada resistor: diferencia de potencial, corriente o potencia? Respuesta En paralelo, la diferencia de potencial es la misma a travs de cada resistor. Sin saber resistencias individuales, nada puede ser determinado con respecto a la intensidad o la potencia. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

74 Pregunta 65 Qu ventajas habras al usar dos resistores idnticos en paralelo conectadas en series con otro par idntico en paralelo, en lugar de usar un solo resistor? Respuesta En esta configuracin el poder entregado a un resistor individual es significativamente menor que si solo un resistor equivalente fuera usado. Esto disminuye las posibilidades de alguna falla de los componentes y un posible desastre elctrico a algn componente del circuito ms costoso que un resistor. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE

75 Pregunta 66 Por qu las aves pueden posarse sobre los cables de alto voltaje sin que se electrocuten? Respuesta Todo el cable es casi un potencial uniforme. La diferencia de potencial entre los pies del ave es esencialmente cero. Luego una insignificante corriente pasa a travs del ave. La resistencia a travs del cuerpo del ave entre sus pies es mucho mayor que la resistencia a travs del cable entre los mismos dos puntos. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 76

Pregunta 67 Cul es la resistencia interna de un ampermetro ideal? Y la de un voltmetro ideal? Podrn los medidores alcanzar en la prctica alguna vez estos ideales? Respuesta Un ampermetro ideal tiene resistencia cero. Un voltmetro ideal tiene resistencia infinita. Los medidores verdaderos no pueden alcanzar estos valores, pero se acercan a estos valores en la medida en que no alteran la corriente o la diferencia potencial que se mide dentro de la precisin del medidor. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 77 Pregunta

68 Suponga que cae de un edificio y en la cada logra sujetarse de un alambre de alto voltaje. Si el alambre lo resiste mientras cuelga de l, se electrocutar? Si el alambre se rompe, ser prudente seguir sujeto a un extremo del alambre mientras cae? Respuesta Mientras que usted slo agarre un cable y no toque nada que est conectado con tierra, est a salvo (recuerde la pregunta 6). Si el cable se rompe, sultelo! Si sigue agarrado a l, habr una diferencia de potencial grande, ms bien mortal, entre el cable y sus pies cuando toque la tierra ya que su cuerpo puede tener una resistencia de aproximadamente 10 k, 7.5 k y , la corriente sera suficiente para arruinar su da. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 78

Pregunta 69 Suponga que usted est volando un cometa cuando ste choca con un alambre de alto voltaje. Qu factores determinan la intensidad de la descarga que recibir? Respuesta Los dos mayores factores son la diferencia potencial entre el cable y sus pies, y la conductividad de la cuerda del cometa. Por eso el experimento de Ben Frank, 7.5 k y lin con los rayos y el vuelo de la cometa eran tan peligrosos. Varios cientficos murieron intentando reproducir los resultados de Frank, 7.5 k y lin. ANTERIOR INICIO NDICE SIGUIENTE 79

Pregunta 70 Cuando se transmite energa elctrica a grandes distancias, la resistencia se vuelve importante. Por qu? Qu mtodo de transmisin dara como resultado menor energa desperdiciada: elevada corriente y bajo voltaje o baja corriente y elevado voltaje? Explique su respuesta? Respuesta Un alambre o cable en una lnea de transmisin es grueso y de un material con resistividad muy baja. Slo cuando su longitud es muy grande tiende su resistencia a ser significativa. Para la potencia de transmisin a larga distancia es ms eficiente usar poca intensidad de corriente en alta tensin, minimizando la prdida de potencia en la lnea de transmisin. La corriente alterna, a diferencia de la corriente se estudia en primer lugar, se puede intensificar en el voltaje y hacia abajo, de nuevo, con transformadores de alta eficiencia en ambos extremos de la lnea elctrica. ANTERIOR INICIO

NDICE SIGUIENTE 80 Un alambre o cable en una lnea de transmisin es grueso y de un material con resistividad muy baja. Slo cuando su longitud es muy grande tiende su resistencia a ser significativa. Para la potencia de transmisin a larga distancia es ms eficiente usar poca intensidad de corriente en alta tensin, minimizando la prdida de potencia en la lnea de transmisin. La corriente alterna, a diferencia de la corriente se estudia en primer lugar, se puede intensificar en el voltaje y hacia abajo, de nuevo, con transformadores de alta eficiencia en ambos extremos de la lnea elctrica. 81

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