Física III Trabajo Práctico 3 11/04/2013

Experiencias en clases teóricas

En esta sección Ud. encontrará algunos cuestionarios y guías sobre temas y demostraciones experimentales realizadas en las

clases en el anfiteatro. El objetivo de esta parte es que Ud. preste mucha atención a las experiencias desarrolladas y que a partir

de sus observaciones y de una investigación adicional con bibliografía adecuada, o con la realización de sus propios

experimentos Ud. complemente y reafirme sus conocimientos de los temas desarrollados.

Importante: Los temas desarrollados en las experiencias serán evaluados en los parciales y en los exámenes finales.

a) Haga una breve descripción del principio de funcionamiento del generador de Wimshurst.

b) Describa lo que se observa cuando se conectan al generador Wimshurst dos placas circulares enfrentadas con una separación

de 10cm, teniendo en una de las placas pegadas unas cintas de papel de 5 cm de largo por 0,5 cm de ancho.

c) ¿Describa cuales son las partes que componen un tubo fluorescente?

d) ¿Cómo se puede lograr el encendido de un tubo fluorescente que está conectado a la red eléctrica sin arrancador ni balastro?

Comente y saque conclusiones de lo observado:

1.- Cuando se acerca un elemento conductor al extremo (polo positivo) de una fuente de alta tensión.

2.- Cuando la fuente de alta tensión alimenta un foco incandescente.

3.- Cuando se forman líneas celestes cuando arrimamos los dedos de la manos.

4.- ¿Qué diferencia puede establecer entre el punto a y c (distancia de la descarga)?

Problemas

P1- Se coloca una carga puntual Q+ en el origen de un sistema de coordenadas cartesianas, y en un punto P(x, y) se coloca una carga

puntual de prueba q+.

(a) Determine la expresión de la fuerza de interacción eléctrica entre Q+ y q

+. Dibuje el vector fuerza sobre q

+.

(b) Analice la expresión del cociente E

q

F

, y las magnitudes de las que depende el campo eléctrico. Dibuje el vector campo.

(c) Repita los puntos anteriores para la carga Q+ y una carga puntual de prueba negativa q

-.

(d) Dibuje las líneas de campo del campo eléctrico generado por una carga puntual positiva.

(e) Dibuje las líneas de campo del campo eléctrico generado por una carga puntual negativa.

(g) Si la carga puntual Q se encuentra en el origen de coordenadas, encuentre la expresión del vector campo eléctrico a diferentes

distancias del origen y grafique la función que representa la variación del módulo del vector campo cuando se consideran

diferentes posiciones sobre el eje x ( )(xfE

). ¿En qué cuadrantes debe graficar esa función para incluir "derecha" e "izquierda"

de Q? Considere los casos en que Q es positiva y Q es negativa.

P2- En la configuración de 4 cargas ocupando los vértices de un cuadrado del problema del TP Nº2:

(a) Calcule el campo eléctrico en el punto P0 y en el punto O.

(b) ¿Cómo cambian sus resultados si las cargas Q1 y Q2 son de signo negativo?

P3- Considere dos cargas puntuales Q+ y Q

- separadas una distancia d (dipolo eléctrico):

(a) Encuentre la expresión del campo eléctrico en el plano que contiene a las cargas. Defina el momento dipolar.

(b) Dibuje cualitativamente las líneas de campo.

(c) Grafique la variación de E con la distancia a lo largo del eje que contiene a ambas cargas.

(d) ¿Cómo cambian sus resultados (puntos (a) y (b)) si las cargas son de igual signo? Ubique el o los puntos, sobre la línea que une

ambas cargas, donde se verifica que el campo eléctrico es nulo.

P4- Una molécula de agua puede ser modelada como un dipolo eléctrico de cargas 2e- y 2│e

-│

separadas una distancia d = 10-10

m (figura 1). Suponga que una molécula de agua se encuentra

en un lugar en donde hay un campo eléctrico uniforme de magnitud E=3.103 N/C de modo tal

que forma un ángulo de α=20º con el momento dipolar.

(a) Determine el par o torque que actúa sobre el dipolo.

(b) Una vez que el dipolo queda paralelo al campo (α=0º) ¿qué energía se necesita para

reorientar el dipolo en sentido antiparalelo al campo (α=180º). Discuta sobre las aplicaciones de

esta propiedad física de moléculas dipolares.

P5- Encuentre la expresión del campo eléctrico en un punto que se encuentra a una

distancia x sobre el eje de un anillo de radio a, que posee una carga total Q+,

uniformemente distribuida en su longitud (figura 2). Dibuje cualitativamente las líneas

de campo de esta distribución. Analice el caso x >> a.

P6- Con espiras de diferentes radios, se construye un disco con densidad superficial de

carga .

Figura 1

Figura 2

(a) Encuentre la expresión para el campo eléctrico en puntos sobre un eje perpendicular al plano del disco, que pasa por su centro

(consejo útil: utilice el resultado obtenido del problema anterior para el campo de un anillo, ver figura 3).

(b) Encuentre las expresiones límites cuando el punto está sobre el eje muy cerca del disco, y cuando está muy lejos.

(c) Grafique la función encontrada tomando como variable la coordenada del punto.

(d) Dibuje cualitativamente las líneas de campo.

P7- Encuentre la expresión del campo eléctrico en un punto que se encuentra a una distancia x0 sobre el plano que divide en dos a

una varilla de longitud L y es perpendicular a la misma; la varilla posee una carga Q+, uniformemente distribuida en su longitud.

Dibuje cualitativamente las líneas de campo de esta distribución. Analice los casos x0>> L y L ∞.

P8- Con cuatro alambres de longitud L se construye una espira de sección cuadrada

sobre la que se deposita una carga Q uniformemente distribuida.

(a) Encuentre las expresiones de E en puntos sobre una recta que pasa por el centro de

la espira perpendicularmente a su plano (eje de la espira).

(b) Encuentre las expresiones de E para el punto central sobre el eje de la espira y para

puntos sobre el eje muy alejados.

P9- En las distribuciones de carga representadas en la figura 4:

(a) Determine el flujo del vector campo eléctrico a través de las superficies indicadas

(S1 a S4).

(b) Indique en cuáles de las situaciones es posible determinar la expresión del campo

eléctrico utilizando la ley de Gauss.

P10- En el centro de un cubo de 10cm de lado se coloca una carga puntual Q=5C

¿Cuánto vale el flujo eléctrico a través de una cara? ¿Y si la carga se ubica en un

vértice del cubo?

P11- Encuentre una expresión general del campo eléctrico para una carga puntual

aplicando la ley de Gauss. Dibuje las líneas de campo eléctrico.

P12- Encuentre la expresión del campo eléctrico para un hilo infinito con densidad

lineal de carga utilizando la ley de Gauss. Grafique la variación del campo con

la distancia. Dibuje las líneas de campo.

P13- Encuentre la expresión del campo eléctrico debido a un plano infinito con

densidad superficial de carga , utilizando la ley de Gauss. Grafique la variación del

campo con la distancia. Dibuje las líneas de campo.

P14- Una esfera metálica de radio a=5cm tiene depositada y distribuida en forma uniforme en su superficie una carga Q=1C.

(a) Calcule la densidad superficial de carga .

(b) Dibuje las líneas de campo eléctrico.

(c) Encuentre las expresiones de campo eléctrico en todo el espacio.

(d) Grafique las funciones campo eléctrico en todo el espacio (en función de r).

P15- Considere una esfera de material aislante de radio a=5cm que tiene depositada y distribuida en forma uniforme una carga Q =

1C.

(a) Calcule la densidad de volumétrica de carga .

(b) Encuentre y grafique el campo eléctrico en todo el espacio.

P16- Un cascarón conductor esférico de radio interior a=5cm y espesor d=1cm tiene en su centro una carga puntual q=1C. Calcule

y grafique el campo eléctrico en todo el espacio suponiendo que el cascarón está: (a) descargado, (b) cargado con q' = -3C, (c)

conectado a tierra. (Considere separadamente estas tres distintas situaciones).

P17- Dos discos metálicos iguales de radio a, cargados con densidad de carga + y

- se disponen paralelamente, separados entre

sí una distancia d << a.

(a) Encuentre la expresión del campo eléctrico resultante en todo el espacio.

(b) Dibuje las líneas de campo para esta distribución.

+

1

+

2

-2

-1 S1

a

r

S4

R L

D

R

S3

L

D

-q

+q

S2

r

h

Figura 4

Figura 3