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9 Cargas y fuerzas eléctricas
E J E R C I C I O S
P R O P U E S T O S
9.1 Explica el origen del término electricidad.
El término electricidad deriva del término griego elektron (ámbar).
9.2 Cita algunos dispositivos eléctricos que han influido en la vida cotidiana.
Se pueden citar la pila eléctrica, el generador de corriente alterna, el electroimán, la lámpara de incandescencia, la lámpara de neón,
el transistor, etc.
9.3
Explica cómo se produce el fenómeno de la electrización por contacto de un cuerpo. ¿Se puede electrizar por contacto cualquier cuerpo?
Un cuerpo puede electrizarse por contacto con otro cuerpo electrizado previamente. Por ejemplo, al tocar una varilla de ebonita no
electrizada con una varilla de vidrio electrizada previamente por frotamiento, la varilla de ebonita adquiere carga eléctrica y puede
atraer pequeños objetos.
Tanto los cuerpos aislantes como los conductores se pueden electrizar por este método.
9.4 Describe fenómenos eléctricos que sugieren la existencia de dos clases de cargas eléctricas. ¿Qué nombre reciben estas clases de cargas?
Entre dos cuerpos electrizados se ejercen fuerzas que pueden ser de atracción o de repulsión. Por ejemplo, si se electrizan esferas de
vidrio y esferas de plástico frotándolas por separado con un paño de lana, se observa que dos esferas de vidrio electrizadas se repelen, dos esferas de plástico electrizadas se repelen, y una de plástico y otra de vidrio electrizadas se atraen.
Estos hechos se explican suponiendo que los cuerpos pueden adquirir dos clases de electricidad: carga eléctrica positiva () y carga
eléctrica negativa (). La asignación de estos signos es arbitraria.
9.5
Justifica el carácter eléctricamente neutro de la mayoría de los materiales. ¿Cómo puede adquirir
carga negativa un cuerpo eléctricamente neutro?
Las cargas eléctricas del protón y del electrón son iguales, pero de signo contrario. El número de electrones de un átomo es igual
al de protones; por tanto, el átomo es eléctricamente neutro y, en consecuencia, la materia, compuesta de átomos, también es
neutra.
Un cuerpo eléctricamente neutro adquiere carga eléctrica negativa si gana electrones, y queda entonces con un exceso de cargas negativas respecto a las cargas positivas.
9.6 ¿Por qué se conserva la carga eléctrica de un sistema aislado? ¿Se conservará también cuando se electriza un cuerpo neutro por contacto con otro cargado positivamente?
En un sistema material aislado formado por varios cuerpos pueden trasladarse electrones de un cuerpo a otro, de forma que la carga
eléctrica negativa que adquiere un cuerpo es igual a la carga eléctrica positiva que adquiere otro. Si se suman las cargas eléctricas teniendo en cuenta su signo, la carga total del sistema permanece constante, ya que las cargas positivas adquiridas se cancelan con las
cargas negativas.
Cuando se electriza un cuerpo neutro por contacto con otro cargado positivamente, pasa carga positiva de este a aquel, pero la carga eléctrica del conjunto se conserva.
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9.7 Indica cuál es el valor en el SI de la unidad natural de carga eléctrica.
La unidad natural de carga eléctrica es el electrón. Su equivalencia en culombios (SI) es:
1 e ⇔ 1,6 1019 C
9.8 Cita los submúltiplos más utilizados de la unidad de carga eléctrica en el SI.
Los submúltiplos más utilizados del culombio son el miliculombio (mC) y el microculombio (C):
1 mC 103 C
1 C 106 C
9.9
Sabiendo que un núcleo de helio consta de dos protones y dos neutrones, expresa su carga eléctrica
en culombios.
La carga eléctrica del protón es la misma que la del electrón, pero de signo positivo. El neutrón no tiene carga eléctrica. Por tanto, la
carga de un núcleo de helio es:
q 2 1,6 1019 C 3,2 1019 C
9.10 Describe el funcionamiento de un electrómetro.
La separación de las láminas metálicas en un electroscopio es tanto mayor cuanto mayor es la cuantía de la carga eléctrica que adquiere el instrumento. Un electrómetro es un electroscopio que lleva incorporada una escala graduada sobre la que se mide el valor
de la carga eléctrica.
9.11 Explica cómo varía la fuerza eléctrica entre dos cargas si la distancia entre ellas:
a) Se reduce a la mitad.
b) Aumenta al doble de su valor.
a) Si r r/2:
q q2
qq
q q2
F K 1 K 21 2 4K 1 4F
(r/2)2
r /4
r2
La fuerza eléctrica entre las dos cargas se ha hecho cuatro veces mayor.
b) Si r 2r:
qq
q q2
1 q q2
1
K 1 F
F K 1 22 K 1 r2
(2r)
4r2
4
4
La fuerza eléctrica entre las dos cargas se ha hecho cuatro veces menor.
9.12 Calcula la fuerza eléctrica con que se atraen dos cargas de ⴙ2 ␮C y ⴚ3 ␮C situadas en el vacío a una
distancia de 0,3 mm.
Realiza un esquema donde se indique la dirección y el sentido de las fuerzas.
La distancia entre las cargas es: r 0,3 mm 3 104 m. Por tanto:
q q2
2 106 3 106
9 109 6 105 N
F K 1 2
r
(3 104)2
Como las cargas son de distinto signo, las fuerzas son de atracción.
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9.13 Calcula la fuerza eléctrica con que se repelen dos cargas eléctricas de ⴙ0,2 ␮C y ⴙ0,5 ␮C, sumergidas
en agua y separadas 3 cm.
Indica si esta fuerza es mayor o menor que si estuviesen en el vacío. La constante K en el agua vale
1,12 ⴢ 108 N m2/C2.
La distancia entre las cargas es: r 3 cm 3 102 m. Por tanto:
q q2
0,2 106 0,5 106 1,24 102 N
1,12 108 F K 1 2
r
(3 102)2
Como las cargas son del mismo signo, las fuerzas son de repulsión.
En el vacío, el valor de la constante K es mayor, por lo que las fuerzas serían mayores.
9.14 Calcula a qué distancia deben situarse dos cargas de ⴙ1 C inmersas en agua para que se repelan con
una fuerza de 9 ⴢ 109 N.
q q2
F K 1 ⇒r
r2
11
qq
11,2 10 0,112 m 11,2 cm
冪K莦
冪莦莦
F
9 1莦
0
1
2
8
9
9.15 Explica cómo puede probarse de forma experimental la existencia de un campo eléctrico.
Una carga eléctrica crea un campo eléctrico a su alrededor, y cualquier otra carga eléctrica situada en ese campo experimenta una
fuerza sobre ella que prueba la existencia del campo eléctrico.
9.16 Calcula la fuerza sobre una carga eléctrica de ⴚ0,5 ␮C situada en un punto de un campo eléctrico en
el que la intensidad es de 800 N / C.
F E q 800 (N / C) (0,5 106) (C) 4 104 N
El signo “” indica que la fuerza tiene sentido contrario al del campo eléctrico.
9.17 Explica la distribución de las cargas eléctricas en un conductor en equilibrio.
Las cargas eléctricas netas en un conductor en equilibrio eléctrico se distribuyen en su superficie. No hay cargas eléctricas en su
interior.
9.18 Describe cómo funciona una jaula de Faraday y cita dispositivos que se comporten aproximadamente
del mismo modo.
Faraday demostró que en el interior de un conductor no existen cargas eléctricas. Para ello se introdujo en una jaula metálica cerrada
(denominada desde entonces jaula de Faraday) a la que se aplicaron fuertes descargas eléctricas sin que se apreciara variación alguna en su interior. Es decir, la cavidad metálica lo protegía de las descargas eléctricas. Un automóvil o un avión se comportan aproximadamente como jaulas de Faraday.