fisica-unidad 7

380 Colegio Nacional de Matemáticas Unidad 6 Ondas Unidad 7 Electrostática y electrodinámica Unidad 8 Óptica Unidad 9 Principales científicos de la física Objetivo: al término de la unidad, el estudiante resolverá problemas relacionados con la electrostática y electrodinámica, a partir de la teoría y los ejemplos. Definición Es la rama de la f ísica que estudia las cargas eléctricas. La electricidad se divide en electrostática y elec- trodinámica. W Carga eléctrica Es una propiedad que tienen los electrones, protones y neutrones. Los neutrones son partículas eléctri- camente neutras, los electrones poseen una carga eléctrica negativa y la carga de los protones es positi- va. La unidad fundamental de carga en el sistema internacional es el coulomb [C]. Carga del electrón [ e ]  1.6 s 10 19C Carga del protón [ e ]  1.6 s 10 19C Las cargas eléctricas de signos iguales se repelen y las cargas eléctricas de signos opuestos se atraen. Para detectar la presencia y naturaleza de las cargas eléctricas se emplea un aparato llamado electros- copio. W Formas de electrizar un cuerpo h Frotamiento El cuerpo que se desea electrizar es frotado con otro cuerpo (paño de seda o trozo de piel). h Contacto El cuerpo que se desea electrizar es tocado con un cuerpo cargado eléctricamente. h Inducción El cuerpo que se desea electrizar se acerca a un cuerpo cargado eléctricamente sin tocarlo.

Guía para el examen global de conocimientos 381 Electrostática Rama de la electricidad que estudia a las cargas eléctricas en reposo. W Ley de Coulomb La magnitud de la fuerza de atracción o repulsión que experimentan 2 cargas eléctricas, es directamen- te proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Cuando las cargas eléctricas son del mismo signo, la fuerza es repulsiva, y cuando son de signos opuestos la fuerza es atractiva. ' R ' ' R ' E F  K q1 – q2 d2 Donde: q1, q2  cargas eléctricas [C ] d  distancia [m] [N ] F  fuerza K  constante de Coulomb K  9 s 109 N –m2 C2 W Campo eléctrico Región del espacio que rodea a una carga eléctrica. Las unidades del campo eléctrico son los ¨ N ·¹¸. ª© C h Magnitud del campo eléctrico producido por un campo de fuerza E  F q Donde: [N ] F  magnitud del campo de fuerza [C ] q  carga de prueba ¨N · E  magnitud del campo eléctrico ª© C ¸¹

382 Colegio Nacional de Matemáticas h La magnitud del campo eléctrico producido por una carga puntual q a una distancia d de ella E  K q d2 Donde: [C ] q  carga eléctrica [m] d  distancia E  campo eléctrico ¨N · ©ª C ¸¹ N –m 2 C2 K  9 s 109 W Diferencia de potencial o voltaje Es el trabajo por unidad de carga que realizan las fuerzas eléctricas para mover una carga eléctrica de un punto a otro. La unidad fundamental de la diferencia de potencial o voltaje es el volt (V ). W Capacitancia Es la capacidad que tienen algunos cuerpos para almacenar carga eléctrica. La unidad fundamental de la capacitancia en el sistema internacional es el farad (F ). Electrodinámica Rama de la electricidad que estudia a las cargas eléctricas en movimiento. h Conductores Materiales que permiten el flujo de cargas. Los más usuales son los metales. h Aislantes Materiales que no permiten el flujo de carga. El plástico, el concreto, la madera, son ejemplos de aislan- tes. h Corriente eléctrica Es la razón entre la cantidad de carga que atraviesa la sección transversal de un conductor y el tiempo. La unidad de la corriente eléctrica en el sistema internacional es el ampere (A). h Resistencia Es la oposición que un conductor ofrece al flujo de la corriente eléctrica a través de él. La unidad de la resistencia en el sistema internacional es el ohm (8).

Guía para el examen global de conocimientos 383 W Ley de Ohm La intensidad de corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional al vol- taje aplicado en sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia. I  V o V  I –R R Donde: [ampere  A] I  intensidad de corriente eléctrica [volts  V ] V  diferencia de potencial o voltaje [ohms  8] R  resistencia del conductor Ejemplos 1. ¿Cuál es la intensidad de corriente que circula por un conductor de 60 8 de resistencia cuando se aplica en sus extremos una diferencia de potencial de 180 volts? a) 3 A b) 4 A c) 0.25 A d) 2.5 A Solución Datos Fórmula Sustitución Resultado I3A R  60 7 I  V I  180 V 3A V  180 V R 60 7 I ? Por tanto, la opción correcta es el inciso a. 2. Una intensidad de corriente de 4 A circula por un conductor de 30 8 de resistencia que se co- necta a una diferencia de potencial de 120 volts, si se incrementa el voltaje, ¿qué sucede con la intensidad de corriente? a) disminuye b) permanece constante c) se incrementa d) se anula Solución De acuerdo con la ley de Ohm, la intensidad de corriente eléctrica es directamente proporcio- nal al voltaje aplicado en los extremos del conductor, por consiguiente, al aumentar el voltaje también aumenta la intensidad de corriente eléctrica. Por tanto, la opción correcta es el inciso c. 3. Una intensidad de corriente de 5 A circula por un conductor de 16 8. ¿Cuál es la diferencia de potencial aplicado en los extremos del conductor? a) 32 volts b) 3.2 volts c) 8 volts d) 80 volts

384 Colegio Nacional de Matemáticas Solución Datos Fórmula Sustitución Resultado V  80 volts I5A VI—R V  (5 A)(16 8) R  16 8 V  80 volts V? Por tanto, la opción correcta es el inciso d. W Potencia eléctrica Es la cantidad de energía que consume un dispositivo eléctrico por unidad de tiempo. PV—I Donde: [V ] V  diferencia de potencial [A] I  intensidad de corriente [watts] P  potencia eléctrica Con base en la ley de Ohm, se sabe que: V  I — R e I  V , con estas relaciones se obtienen otras fórmu- R las para la potencia eléctrica. P  I2 — R o P  V2 R Ejemplos 1. ¿Qué potencia desarrolla un motor eléctrico si se conecta a una diferencia de potencial de 120 volts para que genere una intensidad de corriente de 5 A? a) 2.4 watts b) 24 watts c) 600 watts d) 60 watts Solución Datos Fórmula Sustitución Resultado P  600 watts V  120 V PV—I P  (120 V )(5 A) I5A P  600 watts P? Por tanto, la opción correcta es el inciso c. 2. Un calentador eléctrico tiene una resistencia de 20 8 y por él circula una corriente de 3 A, ¿cuál es la potencia que disipa el calentador? a) 180 watts b) 1 800 watts c) 60 watts d) 600 watts

Guía para el examen global de conocimientos 385 Solución Fórmula Sustitución Resultado P  I2 — R P  180 watts Datos P  (3 A)2(20 8) P  (9 A2)(20 8) R  20 8 P  180 watts I3A P? Por tanto, la opción correcta es el inciso a. Circuitos eléctricos W Circuitos de resistencias en serie Todos los circuitos conectados en serie presentan las siguientes características: *U 3 7U * * 3 * 3 • La intensidad de corriente en cada resistencia es la misma. It  I1  I2  I3  ... • La resistencia total del circuito es igual a la suma de todas las resistencias. Rt  R1  R2  R3  ... • La diferencia de potencial total es igual a la suma de las diferencias de potenciales de cada resis- tencia. Vt  V1  V2  V3  ...

386 Colegio Nacional de Matemáticas Ejemplos 1. Las resistencias de 5 8, 10 8 y 20 8 se conectan en serie. ¿Cuál es la resistencia total del circui- to? a) 5 8 b) 15 8 c) 35 8 d) 10 8 Solución Datos Fórmula Sustitución Resultado Rt  35 7 R1  5 7 Rt  R1  R2  R3 Rt  5 7 10 7  20 7 R2  10 7 Rt  35 7 R3  20 7 Rt  ? Por tanto, la opción correcta es el inciso c. 2. Las resistencias de 3 8, 4 8 y 5 8
se conectan en serie a una batería de 120 volts. ¿Cuál es la intensidad de corriente que circula por el circuito? a) 40 A b) 30 A c) 10 A d) 24 A Solución Datos Fórmulas Sustitución Resultado It  10 A R1  3 7 Rt  R1  R2  R3 Rt  3 7  4 7  5 7 R2  4 7 R3  5 7 It  Vt Rt  12 7 V  120 v Rt Rt  ? It  120 v  10 A It  ? 12 7 Por tanto, la opción correcta es el inciso c. W Circuitos de resistencias en paralelo Todos los circuitos conectados en paralelo presentan las siguientes características: 7U *U * 3 * 3 * 3

Guía para el examen global de conocimientos 387 • La intensidad de corriente total es igual a la suma de todas las intensidades en cada resistencia. It  I1  I2  I3  ... • La resistencia total del circuito se obtiene con la fórmula: 1  1  1  1  ... Rt R1 R2 R3 • La diferencia de potencial total es igual a la diferencia de potencial de cada resistencia. Vt  V1  V2  V3  ... Ejemplos 1. Una resistencia de 6 8 se conecta en paralelo con otra de 3 8. ¿Cuál es la resistencia total o equivalente del circuito? a) 3 8 b) 9 8 c) 2 8 d) 1 8 Solución Datos Fórmula Sustitución Resultado Rt  2 8 R1  6 7 1  1  1 1  1  1  1 2  3  1 R2  3 7 Rt R1 R2 Rt 67 37 67 67 27 Rt  ? Rt  27 m Rt  27 1 1 Por tanto, la opción correcta es el inciso c. 2. Se conectan en paralelo las resistencias de 12 8 y 6 8, a una batería de 40 volts, ¿Cuál es la in- tensidad de corriente que circula por el circuito? a) 2.2 A b) 10 A c) 3.3 A d) 6.6 A Solución Datos Fórmulas Sustitución Resultado It  10 A R1  12 7 1  1  1 1  1  1  1 2  3  1 R2  6 7 Rt R1 R2 Rt 12 7 67 12 7 12 7 47 Rt  ? Vt  40 volts It  Vt Rt  47 m Rt  47 It  ? Rt 1 1 It  40 volts  10A 47 Por tanto, la opción correcta es el inciso b. 3. Se conectan las resistencias de 12 8, 6 8 y 4 8 en paralelo a una batería de 30 volts, ¿cuál es la intensidad de corriente que circula por el circuito? a) 15 A b) 1.3 A c) 1.5 A d) 13 A

388 Colegio Nacional de Matemáticas Solución Datos Fórmulas Sustitución Resultado It  15 A R1  12 7 1  1  1  1 1  1  1  1  12  1 R2  6 7 Rt R1 R2 R3 Rt 12 7 67 47 24 7 27 R3  4 7 Vt  30 V It  Vt Rt  27 m Rt  27 Rt  ? Rt 1 1 It  ? It  30 volts  15 A 27 Por tanto, la opción correcta es el inciso a. Pila voltaica Una pila voltaica es un dispositivo que transforma la energía química en energía eléctrica. La pila voltaica está formada por los siguientes elementos: 1PMP
QPTJUJWP
P
ÈOPEP &MFDUSPEP &MFDUSPMJUP 1PMP
OFHBUJWP
P
DÈUPEP