Download Problemas. Unidad 1 v2 - Electromagnetismo - Estado Sólido

Facultad de Tecnología Informática
Ingeniería en Sistemas de Información
Guía de Problemas
Unidad 1
Equipo docente:
 Carlos Vallhonrat [email protected]
 Enrique Cingolani [email protected]
Integrantes: Grupo2A
Nombre
Correo electrónico
Toimil, Gonzalo
[email protected]
Malagrino, Mariano
[email protected]
Fama, Alejandro
[email protected]
Salinardi, Martin
[email protected]
Castro Evans, Mercedes [email protected]
Lisi, Sebastian
[email protected]
UNIDAD I.
GUÍA DE PROBLEMAS
CONTENIDOS: Estructura de la materia y su relación con las propiedades eléctricas.
Moléculas, átomos e iones. Núcleo y nube electrónica. Niveles de energía. Portadores de
carga. Modelo de conducción eléctrica del enlace covalente
Estado sólido. Características y propiedades. Estructuras cristalinas.
1] Se ha señalado que la ley de Coulomb y la ley de Gravitación Universal de Newton son
similares. Señale cuáles son las diferencias. Busque y compare los valores de ambas
constantes.
Ambas leyes hablan respecto a cómo actúan las fuerzas sobre dos objetos separados por una
distancia determinada.
La ley de la gravitación universal establece que la fuerza de atracción entre dos masas es
directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa. Expresándolo matemáticamente, Sería:
Donde la constante de gravitación universal es:
Las masas de los cuerpos en cuestión son m1 y m2. La distancia entre los centros de las masas
es r.
La ley de Coulomb propone descubrir la fuerza que actúa sobre cada una de las 2 cargar
separadas a una distancia D. Expresándolo matemáticamente, sería:
Donde la constante de Coulomb es:
Diferencias:
Si bien ambas leyes aportan el concepto de las fuerzas más importantes con las que
interactuamos, notan ciertas leves diferencias:




La fuerza eléctrica puede ser de atracción o de repulsión. La fuerza de gravedad es
solamente de atracción.
No se ha podido evaluar hasta el momento masas negativas, siendo todo positivas, por
el contrario, las cargas si puede variar de signo.
Las magnitudes de fuerza son ampliamente diferentes, respecto de a cada una de las
leyes. La magnitud de fuerza eléctrica entre un electrón y un protón de un átomo de
hidrogeno, es 39 veces mayor a la magnitud de fuerza gravitacional provocado por sus
masas. Por ello La fuerza eléctrica, es más fuerte a nivel atómico que la fuerza de
gravedad. Para hacer evidente este ultima, tiene que interactuar objetos de gran masa.
La materia tiene una composición electrónica equilibrada, esto quiere decir que la
interacción de fuerzas eléctricas que se producen dentro de un átomo es balanceada
por lo tanto no se repelen y no se atraen. (misma cantidad de cargas positivas y
negativas).
2] Se electrifica una barra de plástico frotándola con lana. ¿Se habrá cargado también
la lana? ¿Qué principio fundamental está asociado con este proceso?
Ambos quedan con cargas distintas, ya que la barra de plástico queda cargada negativamente
(le quita electrones a la lana) y la lana queda cargada positivamente (perdió electrones).
El principio es el de la electroestática por medio del método de frotación.
3] Explique cómo la teoría atómico-molecular puede justificar las diferentes propiedades
eléctricas de los materiales. Señale distintos tipos de portadores de carga presentes en
distintos tipos de materiales. ¿A qué se deberá que un buen conductor de la electricidad
sea también un buen conductor del calor?
Las propiedades eléctricas de la materia son:



La carga: Que puede ser Negativa o Positiva
La fuerza: Que interactúa con otras cargas
El campo eléctrico: Que es lo que provoca una carga al ser colocada en área.
La teoría atómica – Molecular indica que un átomo está confirmado por masas de carga positiva
y negativa, que están en cierto equilibrio. Esto provoca que el átomo, sea estable.
En física existen dos portadores de carga, los electrones y los iones. Cuando los metales tienen
electrones libres no enlazados, estos se van desplazando de átomo en átomo transportando la
carga. Los buenos conductores ofrecen una menor resistencia al paso de estos electrones. El
rozamiento que producen la carga que van fluyendo por el material, producen calor, y cuando
menos resistivo es el material, más cargas dejarán pasar y más calor disipará. Esto se lo conoce
como efecto JOULE, y es lo que podemos ver por ejemplo en una lamparita, cuando menos
resistencia tenga el filamento, mas cargan pasarán y más calor disipará.
4] En todos los puntos de cierta región del espacio se encuentra que se cumple lo siguiente:
Una carga positiva de 10 µC recibe una fuerza hacia arriba de 50 N y una carga negativa
de 6 µC recibe una fuerza hacia abajo de 30 N.
a) ¿Qué conclusiones podrían sacarse sobre la existencia, o no, en dicha región de
un campo eléctrico y qué características tendría?
Hay un campo eléctrico, su valor
F
30 N
50 N
-- = ------------- = --------------- = 5N/ µC
Q
- 6 µC
10 µC
E= 5x10^6 N/C = 5x10^6 V/m
-es uniforme
-dirección
-valor absoluto
b) ¿Qué trabajo habría que realizar sobre la primer carga para:
b1) Impedir que sea desplazada por la fuerza actuante.
Utilizando la fórmula de trabajo
L = F.d
L= 50N . 0 m = 0 J
b.2) Desplazarla 2 m hacia abajo.
L = F.d
L = 50N . -2m = -100 J
b.3) Desplazarla un metro hacia la izquierda.
L = F.d.cos(α)
L = 50N . 1m . cos(90°) = 0 J
b.4) Desplazarla 3 m hacia arriba.
L = F.d.cos(α)
L = 50N . 1m . cos(0°) = 150 J
c) ¿Cuál es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos separados por una
distancia vertical de 0,5 m y horizontal de 1 m?
Usando las fórmulas
∆V = Vc – Va
∆V = -Ex
Y usando el dato ya calculado del campo eléctrico
E= 5x10^6 N/C = 5x10^6 V/m
Ya que el desplazamiento entre A y B es horizontal, solo se tiene en cuenta el vertical entre B
y C.
Va = 0
∆V = Vc
∆V = -E.x
-5x10^6 N/C . 0,5 m = - 2,5x10^6 V
d) ¿Cuál se encuentra a mayor potencial?
El potencial es mayor en A que en C, ya que en A el potencial es 0 (-5x10^6 N/C . 0 m = 0 V) y
en C es negativo.
5] En el campo eléctrico del ejercicio anterior, considere un punto cualquiera y una
dirección arbitraria:
a) Usando una planilla de cálculo u otro software adecuado, dibuje un gráfico
cartesiano que represente la variación de la intensidad de campo en esa dirección.
b) Ídem para el potencial eléctrico.
c) Relacionar los resultados obtenidos con la expresión E = - dV/dx.
Para poder calcular cada uno de los puntos se utilizó la fórmula presentada que relaciona la
distancia con la diferencia de potencial eléctrico y el campo eléctrico.
Se puede concluir que el potencial eléctrico varía al realizarse un trabajo sobre la fuerza que
la mueva verticalmente.
6] Dos cargas positivas q, de igual valor , se encuentran separadas por una distancia r.
a] Calcular el valor de la intensidad de campo y del potencial eléctrico en un punto
equidistante de ambas, sobre la recta que las une.
Para calcular la intensidad del campo, tenemos que usar la fórmula:
𝐸=
𝐹
𝑄1
Para calcular el potencial eléctrico entre ambas tenemos que saber cómo estarían cargadas las
cargas para ver cómo actuarían las fuerzas. Para ello tenemos que utilizar la Ley de Coulomb.
𝐹=
𝐾 𝑄1 × 𝑄2
×
𝐸𝑟
𝑑2
b] Representar la variación de ambas magnitudes sobre esa recta.
+
-
+
+
7] Describa cómo explica la teoría atómico-molecular las características del estado sólido.
Busque información sobre sólidos cristalinos y sólidos amorfos. ¿Cuántos tipos de
estructura cristalina son posibles?
Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las
partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que
ocupan
posiciones
casi
fijas.
En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor
de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido.
Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una
regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.
Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas:
Los sólidos cristalinos, son lo solidos que presenta una estructura atómica periódica, es decir
una estructura que ese repite a lo largo de todo el sólido sin presentar variaciones.
Los Solidos amorfos, no presentan una estructura definida de forma periódica.
Existen 7 tipos de sistemas cristalinos:
 Cúbica sencilla
 Tetragonal Sencilla
 Ortorrómbica sencilla
 Monoclínica sencilla
 Hexagonal
 Triclínica
 Romboédrica
8] ¿Cuál de los siguientes procesos consiste en, o involucra a, una corriente eléctrica?
a) La caída de un rayo.
Si, ya que Un rayo puede generar una potencia instantánea de 1 GigaWatt (mil millones de
vatios), pudiendo ser comparable a la de una explosión nuclear. Para que haya potencia debe
haber Intensidad y Voltaje. La diferencia potencial entre una nube y el suelo, o entre dos
nubes, es de cientos de millones de voltios. La corriente resultante que fluye a través del
aire ionizado provoca una liberación de energía de forma explosiva.
b) La “descarga” que recibimos a veces al bajar del auto los días secos.
La descarga que se recibe del auto es debida a la carga eléctrica negativa que una persona
lleva (estática) y se toca el auto cargado positivamente. Ya que hay una diferencia de potencial,
el tocar hace que se equilibren ambos cuerpos.
Ya que la corriente es I=q*t y esto implica una carga q, hay corriente eléctrica.
c) La circulación de agua por una cañería. (Recuerde que toda la materia está
constituida por cargas eléctricas y además la molécula de agua es un dipolo
eléctrico).
Ya que toda la materia está constituida por cargas eléctricas (q) y la Intensidad es I=q*t, y
toda la materia está afectada por el tiempo (circulación en la cañería implica tiempo), se puede
decir que hay una corriente eléctrica.
d) El bombardeo electrónico de la pantalla de un monitor o televisor.
El bombardeo electrónico se realiza al prenderse una pantalla. Los electrones son disparados
a la pantalla de vidrio recubierta de fósforo y plomo. El fósforo permite reproducir las
imágenes.
Este bombardeo genera un movimiento de cargas, y por la misma fórmula se concluye que hay
corriente eléctrica I=q*t