1 República Bolivariana de Venezuela La Universidad del Zulia Facultad de Ingeniería Ciclo Básico Departamento de Física Asignatura: Física II Profesora: Yolissa Vega SIGUIENTE PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE ELECTRICIDAD 1

2 INTRODUCCIÓN ANTERIORSIGUIENTE En este trabajo encontrarás Preguntas y Respuestas sobre Electricidad, donde se presenta cada pregunta con su respectiva respuesta. En total son 70 preguntas, agrupadas de 10 en 10, según la temática que corresponda. Las temáticas son: Carga eléctrica y ley de Coulomb. Campo eléctrico. Ley de Gauss. Potencial eléctrico. 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 enseñanza de la Electricidad; y, con la intención de captar la atención del estudiantado que está inmerso en el mundo de las TIC, y que puede tomar este trabajo como herramienta de estudio para su curso de Física II. Cada diapositiva cuenta con animación para que cada estudiante lleve la secuencia en la que debe leer el contenido. 2

3 PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE ELECTRICIDAD 1. La carga eléctrica y la ley de Coulomb ANTERIORSIGUIENTE INICIO 12453689710 2. El campo eléctrico 11121415131618191720 3. La ley de Gauss 21222425232628292730 4. El potencial eléctrico 31323435333638393740 5. Capacitancia y dieléctricos 41424445434648494750 6. Corriente y resistencia 51525455535658595760 7. Circuitos de corriente directa 61626465636668696770 ÍNDICE 3

4 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 4

5 Pregunta 1 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Explique el significado de la expresión "un átomo neutro". Explique el significado de “un átomo cargado negativamente”. Un átomo neutro es aquel que no tiene carga neta. Esto significa que tiene el mismo número de electrones en órbita alrededor del núcleo, así como de protones en el núcleo. Un átomo con carga negativa tiene uno o más electrones en exceso. Respuesta 5

6 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 2 Un peine cargado con frecuencia atrae pequeños fragmentos de papel seco que posteriormente vuelan cuando alguien toca el peine. Explique este comportamiento. Cuando el peine está cerca, las moléculas en el papel se polarizan, y el papel se siente atraído. Durante el contacto, la carga en el peine se transfiere al papel por la conducción. Luego, el papel tiene la misma carga que el peine, y es repelido. Respuesta 6

7 7 Pregunta 3 ¿Pueden cargarse los aislante por inducción? No. Para cargar un cuerpo por inducción, deben tener cargas que son libres de moverse en el cuerpo. Un aislante no tiene tales cargas. Respuesta

8 Pregunta 4 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE El personal de un hospital debe usar zapatos conductores especiales cuando trabaja en el quirófano cerca de oxígeno puro. ¿Por qué? Compare lo que ocurriría si utilizaran zapatos con suela de hule. Para evitar que se realice una chispa. Los zapatos de suela de hule adquieren una carga por fricción con el suelo y podría descargarse con una chispa, causando posiblemente una explosión de cualquier material inflamable en la atmósfera enriquecida de oxígeno. Respuesta 8

9 Pregunta 5 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Explique desde un punto de vista atómico por qué la carga usualmente se transfiere por electrones. Los electrones son menos abundantes y más móviles que los protones. Además, es más fácil separar de átomos que los protones. Respuesta 9

10 Pregunta 6 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE ¿Por qué es más difícil cargar un objeto por frotamiento en un día húmedo que en un día seco?. Todos los componentes del aire son no polares, excepto para el agua. Las moléculas polares del agua en el aire “roba” con bastante facilidad la carga de un objeto cargado, como cualquier profesor de física tratando de realizar demostraciones electroestáticas bien conocidas en el verano. Como resultado de esto, es difícil acumular grandes cantidades de exceso de carga sobre un objeto en un clima húmedo. Respuesta 10

11 Pregunta 7 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE ¿Cuáles son las similitudes y diferencias entre la ley de gravitación de Newton, F g = Gm 1 m 2 /r², y la ley de coulomb F e = k e q 1 q 2 /r²? Similitudes: Una fuerza de gravedad es proporcional a los productos de las propiedades intrínsecas (masas) de dos partículas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación. Una fuerza eléctrica exhibe las mismas proporcionalidades, con carga como la propiedad intrínseca. Diferencias: La fuerza eléctrica puede atraer o repeler, mientras que la fuerza gravitacional descrita por la ley de Newton sólo puede atraer. La fuerza eléctrica entre las partículas elementales es mucho más fuerte que la fuerza gravitacional. Respuesta 11

12 Pregunta 8 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE ¿Sería la vida diferente si el electrón se carga positivamente y el protón se carga negativamente? ¿Tiene la elección de los signos alguna incidencia en las interacciones físicas y químicas? Explique. No. La vida no seria diferente si los electrones estuvieran cargados positivamente y los protones estuvieran cargados negativamente. Cargas opuestas se seguirían atrayendo, y cargas diferentes se repelerían. La asignación de carga positiva y negatividad es simplemente una convención. Respuesta 12

13 Pregunta 9 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Un globo se carga negativamente por frotamiento y después se adhiere a una pared. ¿Esto significa que la pared está cargada positivamente? ¿Por qué después de cierto tiempo el globo finalmente se cae? No. El globo induce la polarización de las moléculas en la pared, de manera que una capa de carga positiva existe cerca del globo. La atracción entre estas cargas y las cargas negativas en el globo es más fuerte que la repulsión entre las cargas negativas en el globo y las cargas negativas en las moléculas polarizadas (porque están más lejos del globo), de manera que hay una fuerza atractiva neta hacia la pared. Los procesos de ionización 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. Respuesta 13

14 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 10 Considere dos cargas puntuales iguales separadas por una distancia d. ¿En qué punto (aparte de ∞) una tercera carga de prueba no experimentaría fuerza neta? En un punto exactamente a medio camino entre las dos cargas. Respuesta 14

15 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 15

16 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 11 Una ligera esfera metálica descargada que está suspendida de un hilo es atraída hacia una barra de caucho cargada. Después de tocar la barra ésta repele a la esfera. Explique. El campo eléctrico 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 más 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 atracción 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. Respuesta 16

17 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 12 Un lápiz de madera está 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 qué? ¿Qué tipo de carga tiene la hoja? El campo eléctrico 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 tendrá una carga negativa inducida en ella, mientras que las partes que cubran el lápiz 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 lápiz es buen aislante, la carga neta en el aluminio puede ser cero. Respuesta 17

18 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 13 Al definir el campo eléctrico, ¿por qué es necesario especificar que la magnitud de la carga de prueba es muy pequeña (es decir, por qué es necesario tomar el límite de F e /q cuando q → 0)? De esta manera el campo eléctrico creado por la carga de prueba no distorsiona el campo eléctrico que se está tratando de medir, moviendo las cargas que se crean. Respuesta 18

19 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 14 ¿Cómo distinguiría experimentalmente un campo eléctrico de un campo gravitacional? Con un presupuesto muy alto, puedes enviar primero un protón y luego un electrón en una región evacuada en la cual el campo exista. Si el campo es gravitacional, ambas partículas experimentarán una fuerza en la misma dirección, mientras que experimentarán fuerzas en direcciones opuestas si el campo es eléctrico. En una escala más práctica, adhiera esferas de médula vegetal idéntica 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 cuestión, el dipolo girará para alinearse con un campo eléctrico, mientras que no lo hará para un campo gravitacional. Si el dispositivo de prueba no gira, asegúrese de insertarlo dentro del campo en más de una orientación en caso de que se haya alineado con el campo eléctrico cuando lo insertó en la primera prueba. Respuesta 19

20 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 15 ¿Cuándo es válido aproximar una distribución de carga por medio de una carga puntual? Si una distribución de carga es pequeña comparada a la distancia de un punto del campo a ésta, la distribución de carga puede ser modelada como una sola partícula con carga igual a la de la carga neta de la distribución. Más, si una distribución de carga es de simetría esférica, se creará un campo en puntos exteriores justo como si toda su carga fuera un punto de carga en el centro. Respuesta 20

21 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 16 Un electrón libre y un protón libre se colocan en un campo eléctrico idéntico. Compare las fuerzas eléctricas que actúa sobre cada partícula. Comparar sus aceleraciones. Las fuerzas eléctricas que actúan sobre las partículas tienen la misma magnitud, pero direcciones opuestas. El electrón tendrá una aceleración mucho más grande (por un factor de aproximadamente 2000) que el protón, debido a que su masa es mucho más pequeña. Respuesta 21

22 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 17 Explique qué sucede con la magnitud del campo eléctrico de una carga puntual cuando r tiende a cero. El campo eléctrico generado alrededor de una carga puntual tiende a infinito cuando r se aproxima a cero. Respuesta 22

23 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 18 Una carga negativa se coloca en una región del espacio donde se dirige el campo eléctrico verticalmente hacia arriba. ¿Cuál es la dirección de la fuerza eléctrica experimentada por este cargo? Verticalmente hacia abajo. Respuesta 23

24 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 19 Explique las diferencias entre las densidades de carga lineal, superficial y volumétrica, y dé ejemplos de cuándo se usaría cada una. La densidad de carga lineal, λ, es la carga por unidad de longitud. Se utiliza cuando se trata de determinar el campo eléctrico creado por una varilla cargada. La densidad de carga superficial, σ, es la carga por unidad de superficie. Se utiliza para determinar el campo eléctrico sobre una lámina o disco cargado. La densidad de carga volumétrica, ρ, es la carga por unidad de volumen. Se utiliza para determinar el campo eléctrico debido a una esfera de material aislante uniformemente cargado. Respuesta 24

25 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 20 ¿Sería la vida diferente si el electrón se carga positivamente y el protón se carga negativamente? ¿Tiene la elección de los signos alguna incidencia en las interacciones físicas y químicas? Explique. No. La vida no seria diferente si los electrones estuvieran cargados positivamente y los protones estuvieran cargados negativamente. Cargas opuestas se seguirían atrayendo, y cargas diferentes se repelerían. La asignación de carga positiva y negatividad es simplemente una convención. Respuesta 25

26 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 26

27 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Establezca una comparación entre la ley de Coulomb y la ley de Gauss. Pregunta 21 Respuesta 27

28 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 22 El Sol está más bajo en el cielo durante el invierno de lo que está en verano. ¿Cómo cambia esto el flujo de la luz solar que golpea un área dada de la superficie de la Tierra? ¿Cómo esto afecta esto al clima? El flujo luminoso en un área dada es menor cuando el sol está bajo en el cielo, porque el ángulo entre los rayos del sol y el vector de área local, d A, es mayor que cero. El coseno de este ángulo se reduce. La disminución del flujo resulta, en promedio, en clima más frío. Respuesta 28 Swq1|

29 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 23 Si el campo eléctrico en una región del espacio es igual a cero, ¿puede usted concluir que no hay cargas eléctricas en esa región? Explique. Si la región es sólo un punto, línea o plano, no. Consideremos dos protones en el espacio vacío de otro modo, el campo eléctrico es cero en el punto medio de la línea que une los protones. Si la región libre de campo es de tres dimensiones, entonces no puede contener carga, pero podría estar rodeado de carga eléctrica. Considere el interior de una esfera de metal con carga estática. Respuesta 29

30 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 24 ¿Si más líneas de campo eléctrico salen de una superficie gaussiana que las que entran? ¿Qué puede usted concluir acerca de la carga neta encerrada por dicha superficie? La superficie debe tener dentro una carga positiva total. Respuesta 30

31 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 25 ¿Un campo eléctrico uniforme existe en una región espacio en la cual no hay cargas? ¿Qué puede usted concluir acerca del flujo eléctrico neto a través de una superficie gaussiana ubicada en esa región de espacio? El flujo neto a través 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, así que las líneas de campo que entran de un lado de la superficie cerrada salen del otro lado y el flujo neto es cero. Respuesta 31

32 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 26 Explique por qué el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada con una carga encerrada determinada es independiente del tamaño o la forma de la superficie. El flujo eléctrico a través de una esfera alrededor de una carga puntual es independiente del tamaño de la esfera. Una esfera de radio mayor tiene un área más grande, pero un campo más pequeño en su superficie, de manera que el producto de la intensidad del campo y área es independiente del radio. Si la superficie no es esférica, algunas partes están más cercanas de la carga que otras. En este caso también, áreas más pequeñas van proyectadas con campos más fuertes, de modo que el flujo neto no se ve afectado. Respuesta 32

33 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 27 Considere el campo eléctrico debido a un plano infinito no conductor que tiene una densidad de carga uniforme. Explique por qué el campo eléctrico no depende de la distancia desde el plano en función del espaciamiento de las líneas del campo eléctrico. La visualización de Faraday de las líneas de campo eléctrico da una visión a esta pregunta. Considere la posibilidad de que una sección de una lámina vertical llevara una carga de un coulombio. Se tiene 1/ ε 0 líneas de campo apuntando hacia fuera de forma horizontal a la derecha e izquierda, todos uniformemente espaciados. Las líneas tienen el mismo espaciamiento uniforme cercano a la hoja y muy lejos, demostrando que el campo tiene el mismo valor en todas las distancias. Respuesta 33

34 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 28 Use la ley de Gauss para explicar por qué las líneas del campo eléctrico deben empezar o terminar en cargas eléctricas. (Sugerencia: Cambie el tamaño de la superficie gaussiana). Considere cualquier punto, zona, u objeto donde las líneas del campo eléctrico comienzan. Rodéelo con una superficie gaussiana ajustada. Las líneas que van hacia el exterior a través 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 líneas comienzan. Del mismo modo, cualquier lugar donde las líneas de campo eléctrico terminan deben estar dentro de una superficie gaussiana pasando un flujo neto negativo, y debe estar una carga negativa. Respuesta 34

35 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 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 qué el exceso de cargas en un conductor aislado debe residir sobre su superficie. 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, deteniéndose solo cuando llega a la superficie externa del conductor. Respuesta 35

36 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 30 Una persona se coloca dentro de una gran esfera metálica hueca que está aislada de la tierra. Si una gran carga se coloca en la esfera, ¿la persona resultará lastimada si toca el interior de la esfera? Explique qué sucederá si la persona tiene también una carga inicial cuyo signo es opuesto al de la carga en la esfera. Si la persona no está cargada, el campo eléctrico dentro de la esfera es cero. La pared interior de la cáscara no lleva carga. La persona no es herida por tocar la pared. Si la persona lleva una carga q (pequeña), el campo eléctrico dentro de la esfera ya no será cero. La carga q es inducida en la pared interna de la esfera. La persona va a recibir un (pequeño) choque cuando toque la esfera, ya que la carga en su cuerpo salta al metal. Respuesta 36

37 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 37

38 Establezca la distinción entre potencial eléctrico y energía potencial eléctrica. Pregunta 31 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Energía potencial eléctrica es la energía que posee un sistema de cargas eléctricas debido a su posición, en cambio el potencial eléctrico es la cantidad de energía potencial eléctrica que hay por una unidad de carga, en un punto. También se puede entender por potencial eléctrico 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. Respuesta 38

39 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Una carga negativa se mueve en dirección de un campo eléctrico uniforme. ¿La energía potencial de la carga aumenta o disminuye?, ¿ésta se mueve a una posición de potencial mayor o menor? Pregunta 32 Respuesta Si se mueve en la dirección del campo, podemos suponer que se mueve desde las cercanías de una carga positiva hacia una carga negativa (o desde cerca de una carga negativa a un lugar aún más cercano), entonces al ser negativa la carga que se mueve va a ir frenando, disminuyendo su velocidad, en consecuencia su energía potencial aumenta (ya que disminuye su energía cinética). Y, se mueve de un potencial eléctrico mayor a uno menor, esto se justifica debido a que se acerca a una supuesta carga negativa. 39

40 Proporcione una explicación física del hecho de que la energía potencial de un par de cargas iguales es positiva mientras que la correspondiente a un par de cargas diferentes es negativa. Pregunta 33 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE La energía 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 sí, y si son de diferentes tipos se atraen entre sí. Respuesta 40

41 Un campo eléctrico uniforme es paralelo al eje x. ¿En qué dirección puede desplazarse una carga en este campo sin que se haga ningún trabajo externo sobre la misma? Pregunta 34 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Debe moverse entre puntos de igual potencial, así el trabajo será nulo. Esto ocurre en dirección perpendicular al campo eléctrico. Respuesta 41

42 Explique por qué las superficies equipotenciales son siempre perpendiculares a las líneas de campo eléctrico. INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Si una línea de campo no fuera perpendicular a una superficie equipotencial, entonces tendría una componente paralela a la superficie, y si quisiera mover una carga en la dirección de esa componente del campo se tendría que realizar trabajo. Pero eso contradice el concepto de superficie equipotencial, en una superficie equipotencial se pueden mover cargas sin realizar trabajo Respuesta 42 Pregunta 35

43 Describa las superficies equipotenciales para a) una línea infinita de carga, b) una esfera cargada uniformemente. INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Una superficie equipotencial a una línea infinita de carga sería un cilindro de altura infinita con la línea de carga en su eje central. Una superficie equipotencial en torno a una esfera cargada uniformemente es otra esfera concéntrica a la que posee la carga. Respuesta 43 Pregunta 36

44 Explique por qué, en condiciones estáticas, todos los puntos en un conductor debe estar al mismo potencial eléctrico. INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Si hay dos puntos de un conductor que tienen diferente potencial eléctrico, entonces una carga eléctrica (un electrón por ejemplo) se movería entre las cargas y se registraría una corriente eléctrica, pero se está diciendo que se está en condiciones estáticas, y en esa condición no puede haber corriente eléctrica. Respuesta 44 Pregunta 37

45 Caminar sobre una alfombra y tocar después a alguien puede producir una descarga eléctrica. Explique la razón por la que ocurre lo anterior. Pregunta 38 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Al caminar sobre una alfombra nos estamos cargando electrostáticamente, por fricción, y así cualquier parte de nuestro cuerpo queda con carga, con potencial eléctrico diferente de cero. Si así tocamos a una persona, esa persona puede estar con potencial cero, y habría entre ambas personas una diferencia de potencial que puede traducirse en una descarga eléctrica. Respuesta 45

46 ¿Por qué es importante evitar los bordes o puntos afilados sobre conductores utilizados en equipos de alto voltaje? Pregunta 39 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE En los bordes y puntas se acumula mucha carga eléctrica, por lo tanto en las cercanías de esos lugares se registra un gran potencial eléctrico, 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 eléctrica desde el punto de alto potencial al de potencial cero (nosotros) y recibiríamos la descarga. Respuesta 46

47 ¿Cuál es la seguridad relativa al permanecer en un automóvil con una carrocería metálica durante una intensa tormenta? Pregunta 40 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Si nos llegar un rayo. Desde el punto de vista eléctrico tendríamos bastante seguridad, debido a que la carrocería metálica actúa como jaula de Faraday, en donde la carga eléctrica que acumule queda en su exterior. Pero térmicamente estaríamos en gran peligro. Respuesta 47

48 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 48

49 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 41 Las placas de un capacitor están conectadas a una batería. ¿Qué ocurre con la carga en las placas si los alambres de conexión se quitan de la batería? ¿Qué pasa con la carga si los alambres se quitan de la batería y se conectan entre si? Nada ocurre a la carga si los cables son desconectados. Si los cables están conectados el uno al otro, las cargas en el único 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. Respuesta 49

50 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 42 Un par de capacitores se conectan en paralelo mientras un par idéntico se conecta en serie. ¿Qué par sería más peligroso de manejar después de haberse conectado a la misma fuente de voltaje? Explique. Los capacitores conectados en paralelo almacenan más energía, ya que tienen una mayor capacidad equivalente. Respuesta 50

51 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 43 ¿Qué ventaja habría al usar dos capacitores idénticos en paralelos conectados en serie con otro par en paralelo idéntico, en lugar de usar un solo capacitor? Este arreglo disminuiría la diferencia de potencial entre las placas de cualquier capacitor en un factor de dos, por lo tanto disminuiría la posibilidad de una ruptura dieléctrica. Dependiendo de la aplicación, esto puede ser la diferencia entre la vida y la muerte de algún otro (que probablemente sea más costoso) componente eléctrico conectado a los capacitores. Respuesta 51

52 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 44 Puesto que la carga neta en un capacitor siempre es cero, ¿qué almacena un capacitor? Un capacitor almacena energía en el campo eléctrico entre las placas. Esto se observa más fácilmente cuando se usa un capacitor desarmable. Si el capacitor está cargado, cuidadosamente tire de él apartando en sus piezas componentes. Se puede encontrar que una pequeña carga residual permanece en cada una de las placas. Cuando es rearmado, el capacitor es cargado de repente - por inducción - debido al campo eléctrico que es establecido y almacenado en el dieléctrico. 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 después que él firmar una renuncia de responsabilidad). Respuesta 52

53 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 45 ¿Por qué es peligroso tocar las terminales de un capacitor de alto voltaje incluso después de que el voltaje aplicado se ha eliminado? ¿Qué puede hacerse para lograr que un capacitor se maneje con seguridad después de que se ha quitado la fuente de voltaje? Un capacitor almacena energía en el campo eléctrico dentro del dieléctrico. Una vez que la fuente de voltaje externa se retira - con tal que no haya una resistencia externa a través del cual el capacitor se pueda descargar - el condensador puede retener esta energía por un largo período 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 daños en el dieléctrico, o al soldado del destornillador para los terminales del condensador. Respuesta 53

54 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 46 Si la diferencia de potencial a través de un capacitor se duplica, ¿en qué factor cambia la energía almacenada? La energía es proporcional al voltaje al cuadrado. Se hace cuatro veces grande. Respuesta 54

55 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 47 Describe cómo puede aumentar el voltaje de operación máxima de un capacitor de placas paralelas para una separación de las placas fija. Poner un material con mayor fuerza dieléctrica entre las placas, o evacuar el espacio entre las placas. A voltajes muy altos, es preferible refrescar las placas o elegir que éstas estén hechas de un material diferente químicamente más estable, porque los átomos en las mismas placas pueden ionizarse, mostrando emisión térmica bajo altos campos eléctricos. Respuesta 55

56 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 48 Un capacitor lleno de aire se carga, luego se desconecta del suministro de energía eléctrica, y por último se conecta a un voltímetro. Explique cómo y por qué las lecturas del voltaje cambian cuando se inserta un dieléctrico entre las placas del capacitor. La diferencia de potencial debe disminuir. Puesto que no hay un suministro externo de alimentación, la carga en el capacitor, Q, debe permanecer constante – esto asumiendo que la resistencia del medidor es lo suficientemente grande. Añadiendo un dieléctrico aumenta la capacitancia, lo que por lo tanto disminuye la diferencia de potencial entre las placas. Respuesta 56

57 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 49 Con la descripción de la molécula polar de un dieléctrico, explique como un dieléctrico afecta el campo eléctrico en el interior de un condensador. Cada molécula polar actúa como una aguja de “brújula” eléctrica, alineándose con el campo eléctrico externo creado por las placas cargadas. La contribución de estos dipolos eléctricos que señalan en la misma dirección reduce el campo eléctrico neto. Como cada dipolo cae en una configuración de energía potencial más baja esto puede contribuir a aumentar la energía interna del material. Respuesta 57

58 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE Pregunta 50 Explique por qué un dieléctrico aumenta el voltaje de operación máximo de un capacitor aunque el tamaño físico de este no cambie. El material dieléctrico puede ser capaz de soportar un campo eléctrico más grande que el aire, sin interrumpir el paso de una chispa entre las placas del condensador. Respuesta 58

59 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 59

60 En una analogía entre la corriente eléctrica y el flujo de tráfico automotriz, ¿a qué correspondería la carga? ¿y a qué correspondería la corriente? Vehículos individuales, automóviles, camiones y motocicletas, corresponderían a la carga. El número de vehículos que pasan por un punto determinado en un momento dado se correspondería con la corriente. Pregunta 51 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 60

61 ¿Cuál es la diferencia entre resistencia y resistividad? Resistencia es una propiedad física del conductor basado en el material del que está hecho, y su tamaño y forma, incluyendo los lugares donde la corriente entra y sale. Resistividad es una propiedad física solamente del material del que el resistor está hecho. Pregunta 52 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 61

62 En la comparación del agua con un circuito eléctrico, ¿qué elemento corresponde a la alimentación eléctrica, al resistor, la carga y la diferencia de potencial? Una fuente de alimentación correspondería a una bomba de agua; una resistor corresponde a un tubo de un cierto diámetro, 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. Pregunta 53 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 62

63 Emplee la teoría atómica de la materia para explicar por qué la resistencia de un material debe aumentar cuando crece su temperatura. En un metal, los electrones de conducción no están fuertemente ligados a los núcleos de iones individuales. Ellos se pueden mover en respuesta al campo eléctrico aplicado para constituir una corriente eléctrica. Cada ion metálico en la red de un microcristal ejerce fuerzas de Coulomb sobre sus vecinos. Cuando un ion esta vibrando rápidamente, puede colocar a sus vecinos en vibración. Este proceso representa la energía en movimiento a través de un material a consecuencia del calor. Pregunta 54 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 63

64 Hemos visto que en el interior de un conductor que transporta una corriente debe existir un campo eléctrico. ¿Cómo es posible lo anterior si en el estudio de la electrostática llegamos a la conclusión de que el campo eléctrico en el interior de un conductor debe ser igual a cero? Un conductor no está en equilibrio electrostático cuando éste está trasportando una corriente. Si las cargas se colocan en un conductor aislado, los campos eléctricos establecidos en el conductor por las cargas harán que las cargas se muevan hasta que estén en posiciones tal que el campo eléctrico es cero a través 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 batería. La batería mantiene una diferencia de potencial a lo largo del conductor y, por lo tanto, un campo eléctrico en el conductor. La corriente constante se debe a la respuesta de los electrones en el conductor debido a este campo eléctrico constante. Pregunta 55 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 64

65 Explique cómo una corriente puede persistir en un superconductor sin ningún voltaje aplicado. Una corriente seguirá existiendo en un superconductor sin voltaje, porque no hay pérdida de resistencia. Pregunta 56 Respuesta 65 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE

66 ¿Por qué un buen conductor eléctrico, podría también ser un buen conductor térmico? La amplitud de las vibraciones atómicas aumenta con la temperatura. A continuación, los átomos, pueden dispersar los electrones de manera más eficiente. Pregunta 57 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 66

67 Si las cargas fluyen muy lentamente a través de un metal, ¿por qué no es necesario que pasen horas para que se encienda una luz cuando usted activa el interruptor? Debido a que hay tantos electrones en un conductor (aproximadamente 10 28 electrones / m 3 ) la velocidad media de las tasas es muy lenta. Cuando se conecta un cable a una diferencia de potencial, se establece un campo eléctrico en todo el alambre de forma casi instantánea, para hacer que los electrones comiencen a moverse en todas partes al mismo tiempo. Pregunta 58 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 67

68 Dos conductores de igual longitud y radio están conectados a la misma diferencia de potencial. La resistencia de uno de los conductores es dos veces la del otro. ¿A cuál se le entrega más potencia? Pregunta 59 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 68

69 Dos bombillas de luz operan a 120 V. Una tiene una potencia de 25 W y la otra de 100 W. ¿Cuál de las bombillas tiene mayor resistencia? ¿Cuál de las bombillas utiliza más corriente? Pregunta 60 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 69

70 INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 70

71 ¿Cómo conectaría resistores de manera que la resistencia equivalente sea más grande que la resistencia individual más grande? De un ejemplo que incluya tres resistores. Conecte las resistencias en serie. Resistencias de 5.0 kΩ, 7.5 kΩ y 2.2 kΩ conectadas en series presentarán resistencias equivalentes de 14.7 kΩ. Pregunta 61 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 71

72 ¿Cómo conectaría resistores de manera que la resistencia equivalente sea más pequeña que la resistencia individual más pequeña? Brinde un ejemplo que incluya tres resistores. Conecte las resistencias en paralelo. Resistencias de 5.0 kΩ, 7.5 kΩ y 2.2 kΩ conectadas en paralelo presentarán resistencias equivalentes de 1.3 kΩ Pregunta 62 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 72

73 Cuando los resistores están conectados en serie, ¿cuál de los siguientes conceptos sería el mismo para cada resistor: diferencia de potencial, corriente o potencia? En serie, la corriente es la misma a través de cada resistor. Sin saber las resistencias individuales, nada puede ser determinado con respecto a la diferencia de potencial o la potencia. Pregunta 63 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 73

74 Cuando los resistores están conectados en paralelo, ¿cuál de los siguientes conceptos sería el mismo para cada resistor: diferencia de potencial, corriente o potencia? En paralelo, la diferencia de potencial es la misma a través de cada resistor. Sin saber resistencias individuales, nada puede ser determinado con respecto a la intensidad o la potencia. Pregunta 64 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 74

75 ¿Qué ventajas habrías al usar dos resistores idénticos en paralelo conectadas en series con otro par idéntico en paralelo, en lugar de usar un solo resistor? En esta configuración 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 eléctrico a algún componente del circuito más costoso que un resistor. Pregunta 65 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 75

76 ¿Por qué las aves pueden posarse sobre los cables de alto voltaje sin que se electrocuten? 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 través del ave. La resistencia a través del cuerpo del ave entre sus pies es mucho mayor que la resistencia a través del cable entre los mismos dos puntos. Pregunta 66 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 76

77 ¿Cuál es la resistencia interna de un amperímetro ideal? ¿Y la de un voltímetro ideal? ¿Podrán los medidores alcanzar en la práctica alguna vez estos ideales? Un amperímetro ideal tiene resistencia cero. Un voltímetro 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 precisión del medidor. Pregunta 67 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 77

78 Suponga que cae de un edificio y en la caída logra sujetarse de un alambre de alto voltaje. Si el alambre lo resiste mientras cuelga de él, ¿se electrocutará? Si el alambre se rompe, ¿será prudente seguir sujeto a un extremo del alambre mientras cae? Mientras que usted sólo agarre un cable y no toque nada que esté conectado con tierra, está a salvo (recuerde la pregunta 6). ¡Si el cable se rompe, ¡suéltelo! Si sigue agarrado a él, habrá una diferencia de potencial grande, más bien mortal, entre el cable y sus pies cuando toque la tierra ya que su cuerpo puede tener una resistencia de aproximadamente 10 kΩ, la corriente sería suficiente para arruinar su día. Pregunta 68 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 78

79 Suponga que usted está volando un cometa cuando éste choca con un alambre de alto voltaje. ¿Qué factores determinan la intensidad de la descarga que recibirá? 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 Franklin con los rayos y el vuelo de la cometa eran tan peligrosos. Varios científicos murieron intentando reproducir los resultados de Franklin. Pregunta 69 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 79

80 Cuando se transmite energía eléctrica a grandes distancias, la resistencia se vuelve importante. ¿Por qué? ¿Qué método de transmisión daría como resultado menor energía desperdiciada: elevada corriente y bajo voltaje o baja corriente y elevado voltaje? Explique su respuesta? Pregunta 70 Respuesta INICIO ANTERIOR SIGUIENTE ÍNDICE 80

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