Disc. Nº 1. Carga Eléctrica y Ley de Coulomb (1)

UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS

GUÍA DE DISCUSIÓN Nº 1GUÍA DE DISCUSIÓN Nº 1

CARGA ELÉCTRICA Y LEY DE COULOMBCARGA ELÉCTRICA Y LEY DE COULOMB

FÍSICA IIIFÍSICA IIIAÑO 2011AÑO 2011

Guía de Discusión Nº 1. Carga Eléctrica y Ley de Coulomb Ciclo II/2011

A. Definir, explicar o comentar los siguientes conceptos. (El estudiante debe contestar este literal antes de recibir la discusión, ya que servirán de fundamentos para contestar los literales B y C).

1) Átomo 9) Cuantización de la carga2) Electrón, proton y neutron 10) Conservación de la carga3) Ion 11) Material conductor y no conductor4) Carga eléctrica 12) Material semiconductor5) Cuerpo cargado 13) Carga por frotamiento6) Cuerpo neutro 14) Carga por contacto7) Carga puntual 15) Carga por inducción8) Electrostática 16) Ley de Coulomb

B. Dadas las siguientes preguntas de opción múltiple, señale la respuesta correcta:

1) Las cargas eléctricas y se atraen entre sí. Las cargas eléctrica y se repelen una a otra. Si se mantienen juntas y .

a) Se atraeránb) Se repeleránc) Una no afectará a la otrad) Se necesita más información para contestar

2) Las cargas eléctricas y se atraen entre si. Las cargas eléctricas y también se atraen una a otra. Si se mantienen juntas y .

a) Se atraeránb) Se repeleránc) Una no afectará a la otrad) Se necesita más información para contestar

3) Las cargas eléctricas y se repelen entre si. Las cargas eléctricas y también se repelen una a otra. Si se mantienen juntas y .

a) Se atraeránb) Se repeleránc) Una no afectara a la otrad) Se necesita más información para contestar

4) Una varilla con carga positiva es mantenida cerca de una bola colgada de un hilo aislante. La vemos oscilar hacia la varilla. ¿Qué conclusión podemos sacar?

a) La bola debe haber tenido una carga opuesta a la de la varillab) La bola debe haber sido neutra originalmente, pero se cargó cuando se mantuvo la

varilla cerca de ella

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c) La bola debe ser un conductord) La bola no tiene carga positiva, pero podría ser neutra

5) Se cuelga una bola esférica conductora de un hilo conductor aterrizado. Le acercamos una carga puntual. La bola

a) Será repelida de la carga puntual y se alejará de ella oscilandob) No se verá afectada por la carga puntualc) Será atraída a la carga puntual y oscilará hacia ella

6) Colgamos una bola esférica conductora de un hilo aislante. Le acercamos una carga positiva puntual. La bola

a) Será atraída a la carga puntual y oscilara hacia ellab) Será repelida de la carga puntual y se alejará de ella oscilandoc) No se vera afectada por la carga puntual

7) Con un hilo aislante mantenemos una esfera conductora neutra cerca de una varilla con carga positiva. La esfera.

a) No se vera afectada por ser neutrab) Permanecerá neutra, pero de todos modos será repelida por la varillac) Permanecerá neutra, pero de todos modos será atraída por la varillad) Adquirirá una carga negativa y será repelida por la varillae) Adquirirá una carga negativa y será atraída hacia la varilla

8) Los objetos y son tres conductores esféricos idénticos y aislados. Originalmente

y tienen carga de , en tanto que tiene una carga de . Se deja que los objetos y se toquen y luego se los separa. Después se deja que los objetos y se toquen y se les separa.

a) Si se sostienen los objetos y cerca uno de otro.A) Se atraeránB) Se repeleránC) No tendrán efecto reciproco

b) Si, en cambio, se sostienen los objetos y cerca uno de otro.A) Se atraeránB) Se repeleránC) No tendrán efecto reciproco

9) Un carga puntual de , se halla a una distancia d de otra de . ¿Cuál es la

razón ?

a) ½ b) 1c) 2

3

d) 18


10) Dos bolas de plomo de se hallan a una distancia de una de otra. Poseen la

misma carga positiva . ¿Qué carga producirá entre ellas una fuerza electrostática que tenga la misma magnitud que el peso de una de las bolas?

a)

b)

c)

d)

11) Dos pequeñas esferas conductoras idénticas están a una distancia de una de otra.

Originalmente poseen la misma carga positiva y la fuerza entre ellas es . Después, la

mitad de la carga de una se deposita en la otra. Ahora la fuerza entre ellas es

a)

b)

c)

d)

e)

12) Dos pequeñas esferas conductoras idénticas se encuentran a una distancia de una de

otra. Originalmente poseen cargas iguales, pero opuestas, y la fuerza entre ellas es . La

mitad de la carga de una se deposita después en la otra. Ahora la fuerza entre ellas es.

a)

b)

c)

d)

e)

13) La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales y estáticas:

a) Son fuerzas de acción y reacción.b) Es inversamente proporcional a la distancia de separación entre ellas.c) Se altera con la presencia de otras cargas.d) Si las cargas son diferentes, la fuerza es mayor sobre la carga que es menor.

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14) Dos esferas conductoras idénticas A y B poseen cargas iguales. Están separadas una distancia mucho mayor que sus diámetros. Una tercera esfera idéntica y conductora C con el triple de carga que las otras esferas, se pone en contacto con la esfera A, y luego con B. Como resultado la fuerza entre las esferas A y B, que inicialmente era F, se convierte en:

a) 2F.b) 4F.c) 16Fd) 3F

15) La carga total negativa contenida en los electrones de 2 kg de Helio (Z = 2, M = 4 g/mol, NA = 6.02 x1023 átomos/mol, e=1.6 x 10-19 C) es:

a) 9.6 x 107 C.b) 4.8 x 107 Cc) 1.9 x 108 Cd) 3.8 x 108 C

C. Conteste las siguientes preguntas, razonando su respuesta.

1) Explique desde el punto de vista atómico por qué la carga es comúnmente transferida por electrones.

2) Explique qué entiende por átomo neutro.

3) Si un objeto suspendido es atraído por un objeto , el cual esta cargado, ¿Se podría concluir que el objeto A está cargado?

4) Se le dan a usted dos esferas de metal montadas sobre soportes aislantes portátiles. Halle una manera de darles cargas iguales y opuestas. Puede emplear una varilla de vidrio frotada con seda pero no puede tocar las esferas. ¿Han de ser las esferas de igual tamaño para que su método funcione?

5) En la pregunta anterior, encuentre una forma de dar a las esferas cargas iguales del mismo signo. Nuevamente, ¿Es necesario que las esferas sean de igual tamaño para que el método funcione?

6) Una varilla cargada atrae partículas de polvo de corcho seco, las cuales, después de tocar la varilla, a menudo se alejan de ella violentamente. Explique.

7) Una carga positiva se aproxima a un conductor aislado sin carga. El conductor se pone a tierra mientras la carga se mantiene cerca. ¿Se carga el conductor positiva o negativamente, o no se carga en absoluto si (a) se retira la carga y luego la conexión a tierra se suprime, y (b) se suprime la conexión a tierra y luego se retira la carga?

8) ¿Porqué los experimentos de electrostática no funcionan bien en los días húmedos?

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9) Se dice que una varilla aislada lleva carga eléctrica. ¿Cómo podría usted verificarlo y determinar el signo de la carga?


10) Si frota enérgicamente una moneda entre los dedos no logrará que resulte cargada por la fricción. ¿Por qué?

11) Explique qué se quiere decir cuando se afirma que las fuerzas electrostáticas obedecen al principio de superposición.

12) ¿Cambia la fuerza eléctrica que una carga ejerce sobre otra si se les aproximan otras cargas?

13) Si los electrones de un metal como el cobre pueden moverse libremente, deben de dirigirse hacia la superficie del metal. ¿Por qué no continúan su movimiento y abandonan el metal?

14) ¿Qué queremos decir con que una cantidad física está (a) cuantizada o (b) se conserva? Dé algunos ejemplos.

15) ¿Cuál es la diferencia entre cargar un objeto por inducción y cargarlo por conducción?

16) Considere dos cargas puntuales iguales separadas una distancia . En que punto podría colocarse una tercera carga que no experimentara fuerza neta.

17) Si un objeto metálico recibe una carga positiva. ¿Esto aumenta, disminuye o deja igual la masa? ¿Qué pasa con la masa del objeto si este recibe carga negativa?

18) Si una varilla de vidrio cargada se sostiene cerca de un extremo de una barra de metal aislada no cargada como en la figura, los electrones se retiran a un extremo como se muestra. ¿Por qué cesa el flujo de electrones? Al fin y al cabo, en la barra de metal hay una fuente casi inagotable de ellos.

19) En la figura del problema anterior, ¿Actúa alguna fuerza eléctrica resultante sobre la barra de metal? Explique.

20) a) Una barra de vidrio cargada positivamente atrae un objeto suspendido. ¿Puede concluirse que el objeto está cargado negativamente?

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b) Una barra de vidrio cargada positivamente repele a un objeto suspendido. ¿Puede concluirse que el objeto está cargado positivamente?


Problemas muestra:

1) Un centavo de dólar, con una masa de 3.11 g, por ser eléctricamente neutro, contiene la misma cantidad de carga positiva y negativa. ¿Qué magnitud tienen estas cargas iguales?

Si es el número de átomos de un centavo y es el número de protones de un

átomo de cobre, entonces es la carga total, positiva o negativa contenida en la

moneda. Si el centavo es de cobre,

es la constante de Avogadro y es la masa molar del cobre, entonces

.

2) La distancia promedio entre el electrón y el protón en el átomo de hidrógeno es

a) ¿Qué magnitud tiene la fuerza electrostática promedio que actúa entre las dos

partículas?; b) ¿Qué magnitud tiene la fuerza gravitacional promedio que opera entre ellas?

De la ley de coulomb tenemos: .

Esta fuerza produce una aceleración centrípeta del orden de sobre el electrón,

hacia el núcleo.

Para la fuerza gravitatoria: .

Donde ; me y mp, las masas del electrón y del protón

respectivamente

La fuerza electrostática entre electrón y protón en el átomo de hidrógeno es cerca de veces la gravitacional.

3) La figura muestra tres partículas cargadas, que se mantienen en su sitio por fuerzas que no se

muestran, ¿Qué fuerza electrostática debido a las otras dos cargas actúa sobre ?

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Supóngase que:

y


D. PROBLEMAS PROPUESTOS

1) Al frotar con seda una barra de vidrio, ésta adquiere una carga cuya magnitud es de . ¿Cuál es el cambio de masa de la barra?

2) Una esfera de plástico es frotada con un paño de lana, cediendo el paño de lana a la esfera una

carga de .

a) ¿Cuál es la carga en Coulombs que adquiere la esfera?b) ¿Con qué carga en Coulombs queda el paño de lana? ¿Qué signo tiene?c) ¿Cuál sería la carga neta del conjunto esfera-paño, después de ser frotadas?

3) Se deposita un exceso de electrones sobre una esfera pequeña de plomo con una masa de

de modo que su carga neta es de . (a) Halle el número de electrones

en exceso en la esfera. (b) ¿Cuántos electrones en exceso hay en cada átomo de plomo? El numero atómico del plomo es 82 y su masa atómica es de .

4) Se tiene un anillo de oro puro (de ) con una masa de . El oro tiene una masa

atómica de y un número atómico de . (a) ¿Cuántos protones hay en el anillo, y cuál es su carga positiva total? (b) Si el anillo no tiene una carga neta, ¿cuántos electrones hay en él?

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y forma un ángulo de -34°

con el eje x

5) Una esfera conductora “ ” posee una carga de cuando es tocada

sucesivamente y por separado por otras dos esferitas “ ” y “ ”, las cuales están inicialmente

descargadas. Las tres esferas en mención son idénticas. ¿Cuál es la carga y de

cada una después de la interacción?


6) ¿Qué exceso de electrones ha de colocarse sobre cada una de dos pequeñas esferas separadas , si la fuerza de repulsión entre ellas ha de ser ?

7) Dos esferas de cobre de de masa, cada una están separadas por una distancia de .

a) ¿Cuántos electrones contiene cada esfera?b) ¿Cuántos electrones deben de extraerse de una de las esferas y añadir a la otra para

ocasionar una fuerza de ?

c) ¿Qué fracción de todos los electrones de una esfera representa?

8) Dos esferas conductoras idénticas, 1 y 2, portan cantidades iguales de carga y están fijas a una distancia muy grande en comparación con sus diámetros. Se repelen entre sí con una fuerza eléctrica de . Supóngase, ahora, que una tercera esfera idéntica 3, la cual tiene un mango aislante y que inicialmente no está cargada, se toca primero con la esfera 1, luego con la esfera 2, y finalmente se retira. Halle la fuerza entre las esferas 1 y 2 ahora. (Ver figura).

9) Dos pequeñas esferas conductoras idénticas con cargas y , se rechazan

mutuamente con una fuerza igual a , cuando están separadas una distancia . Si las esferas se ponen en contacto y luego se separan quedando a la misma distancia , ¿con qué valor de fuerza se rechazaran en esta nueva condición?

10) La figura muestra dos cargas, y , mantenidas fijas y separadas por una distancia .

e) Determine la intensidad de la fuerza eléctrica que actúa sobre . Suponga que

y .

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f) Se introduce una tercera carga y se coloca como se indica en la figura .

Encuentre la intensidad de la fuerza eléctrica que ahora opera sobre .


11) Cuatro cargas puntuales idénticos se colocan sobre las esquinas de un

rectángulo como se muestra en la figura. Las dimensiones del rectángulo son y

. Calcule la magnitud y la dirección de la fuerza neta electrostática ejercida sobre la carga de la esquina inferior izquierda del rectángulo por las otras tres cargas.

12) Dos pequeñas esferas conductoras idénticas se colocan con sus centros separados . A una se le da una carga de y a la otra una carga de .

a) Encuentre la fuerza eléctrica ejercida sobre una esfera por la otra.b) Las esferas se conectan por un alambre conductor. c) Encuentre la fuerza eléctrica entre las dos después de que se alcanza el equilibrio.

13) Dos esferas conductoras idénticas, que tienen cargas de signo opuesto, se atraen entre sí con una fuerza de cuando están separadas por . Las esferas se conectan súbitamente con un alambre conductor delgado, que luego se retira, y después las esferas se repelen entre sí con una fuerza de . ¿Cuáles eran las cargas iniciales de las esferas?

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14) Tres cargas puntuales están dispuestas en línea. La carga está en el origen. La

carga está en . La carga está en . ¿Cuál es la

magnitud y el signo de si la fuerza neta sobre es cero?

15) Una carga negativa de ejerce una fuerza hacia arriba de sobre una carga

desconocida que está a directamente abajo de ella. (a) ¿Cuáles son la magnitud y el signo de la carga desconocida? (b) ¿Cuáles son la magnitud y dirección de la fuerza que la carga desconocida ejerce sobre la carga de ?


16) Dos esferas pequeñas presentan carga positiva siendo la carga total. Se repelen entre sí con una fuerza de cuando se hallan a de distancia una de otra. Calcule la carga de ambas.

17) Tres cargas puntuales se colocan en las esquinas de un triángulo equilátero, como se muestra

en la figura. Calcule la fuerza eléctrica neta sobre la carga de .

18) Dos bolas pequeñas y similares de masa se cuelgan de hilos de seda de longitud y portan la misma carga , como se muestra en la figura. Suponga que es tan pequeña que tan puede ser reemplazada por su igual aproximado, .

a) Con esta aproximación pruebe que, en el estado de equilibrio, donde x

es la distancia entre las bolas.

b) Si y ¿Cuál es el valor de ?

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19)Dos pequeñas esferas de masas iguales a una, suspendida de un hilo de de longitud

formando con la vertical y la otra fija en el extremo superior de una varilla aislante (ver

figura). La carga de la esfera fija es y se encuentra a de la esfera

suspendida con carga .

a) Dibujar el diagrama de cuerpo libre que

b) Escribir las ecuaciones de equilibrio para

c) Determinar el signo y magnitud de la carga

20)Dos cargas puntuales libres están separadas por una distancia . Una tercera

carga se coloca de modo que el sistema entero se encuentre en equilibrio.

a) Encuentre el signo, la magnitud y la ubicación de esta carga.b) Demuestre que el equilibrio es inestable.

21) Dos cargas positivas +Q se sostiene fijas y separadas por distancia d. una partícula de carga negativa – q y de masa m se coloca a la mitad de la distancia entre ellas y luego se le imprime un pequeño desplazamiento perpendicular a la línea que las une, liberándola después. Demuestre que la partícula describe un movimiento armónico simple de periodo:

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22) Un electrón cuya rapidez inicial es v0, se lanza en dirección a un protón que está esencialmente en reposo. Si al principio el electrón se encontraba a una gran distancia del protón, ¿A qué distancia de éste su rapidez instantánea es igual al doble de su valor inicial? (Sugerencia: Usar el teorema de la variación de la energía cinética)

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