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LA ELECTRICIDAD Y LA MATERIA EJERCICIOS RESUELTOS-QUINTO DE SECUNDARIA PDF Y VIDEOS

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Desde tiempos muy antiguos se conoce la propiedad que poseen algunos cuerpos, (como el ámbar), de atraer a otros cuerpos después de ser frotados. Ya Tales de Mileto (640 – 547 a.C.) hizo experimentos en los que demostró que el ámbar, después de ser frotado con la piel de un animal, atraía ciertas semillas. Este fenómeno se denominó electricidad, y la propiedad que se supone que adquirían los cuerpos al frotarlos, carga eléctrica.

- Frota un lapicero de plástico con tu chompa de lana y acércalo a unos trocitos de papel. Comprobarás que los papeles son atraídos por el plástico porque éste ha quedado electrizado. El mismo fenómeno sucede si, en vez de utilizar plástico, usas una barra de vidrio.

Pero los fenómenos eléctricos no sólo dan lugar a fuerzas de atracción, sino que también dan lugar a fuerzas de repulsión.

- Frota dos barritas de plástico o dos lapiceros con tu chompa de lana, cuelga una de ellas de un gancho o clavo con una cuerda y acerca la barra frotada a la barra colgada. Comprobarás que la barra colgada se separa. Esta separación se debe a la fuerza de repulsión.

- Por último, cuelga del gancho o clavo una barra de vidrio y acerca a ella la barra frotada. Observarás que la barra de vidrio se acerca a la de plástico, comprobando así que surgen fuerzas de atracción entre la barra de vidrio y la de plástico.

Así como el plástico y el vidrio adquieren carga eléctrica al ser frotados, otros cuerpos también se comportan de forma similar a estas sustancias. Esto nos dice que las propiedades adquiridas por los cuerpos al ser frotados son opuestas.
Por consiguiente, se puede admitir la existencia de dos clases de electricidad, una vítrea y otra resinosa, en virtud de las experiencias primarias hechas por el hombre.
Más adelante veremos cómo estas características opuestas se formalizan matemáticamente con la adición de signos de cada electrización.

¿Por qué se produce la electrización?

El comportamiento eléctrico de los cuerpos está íntimamente relacionado con la estructura de la materia. Como sabes, los cuerpos están formados por entidades elementales llamadas átomos. En los átomos existen unas partículas que poseen carga positiva, protones y otras partículas, llamadas electrones, que poseen carga negativa. Finalmente, los átomos también poseen partículas sin carga, que reciben el nombre de neutrones.

En general, los átomos poseen igual número de protones que de electrones, por lo que la carga positiva de los primeros se compensa con la negativa de los segundos. Así, el átomo, en conjunto, no posee carga eléctrica neta, y se dice que es eléctricamente neutro.

Si sometemos un cuerpo a ciertas manipulaciones, por ejemplo, frotándolo, ese cuerpo puede ganar electrones o perderlos. Es por esto que las barras de vidrio o de plástico se electrizan al frotarlas, respectivamente, con seda o con lana. Con el frotamiento, la barra de plástico gana electrones de la lana (adquiere carga negativa), y la barra de vidrio cede electrones a la seda (adquiere carga positiva). Es decir, el tipo de carga eléctrica que un cuerpo posee está en función de que ese cuerpo tenga más o menos electrones que protones.

- Si un cuerpo tiene carga negativa es porque ha ganado electrones de otros cuerpos y, por tanto, posee más electrones que protones.

- Si un cuerpo tiene carga positiva es porque ha cedido electrones a otros cuerpos y, por tanto, posee menos electrones que protones.

 Carga de un electrón:
qe- = – 1,6 × 10-19 Coulomb (C)

 Carga de un protón:
qp+ = + 1,6 × 10-19 Coulomb (C)

 

Cuantificación de la carga

q = N . |e-|

 N: Número de electrones en exceso o defecto
 |e-|: Valor absoluto de la carga de un electrón
(1,6 × 10-19 coulomb)

Las fuerzas eléctricas

Como has podido comprobar si has realizado los experimentos de las páginas anteriores, entre las cargas eléctricas surgen fuerzas de atracción o de repulsión y el que surja una u otra clase de fuerza se debe a la característica propia (positiva o negativa) de las cargas que interactúan. A partir de estos hechos se puede formular la siguiente propiedad general:

Cargas del mismo signo se repelen y
cargas de signo contrario se atraen.

Ley de Coulomb

El físico francés Charles Coulomb (1736 – 1806), utilizando una balanza de torsión, estudió las fuerzas con las que se atraían o repelían los cuerpos cargados. Éstas fueron sus conclusiones:

- Las fuerzas eléctricas aparecen sobre cada una de las dos cargas que interactúan, y son de igual magnitud e igual línea de acción, pero de sentidos opuestos.

- Las fuerzas eléctricas dependen de los valores de las cargas. Cuanto mayores sean esos valores, mayor será la fuerza con la que se atraerán o repelerán.

- Las fuerzas eléctricas dependen de la distancia que separa las cargas. Cuanto mayor sea esa distancia, menor será la fuerza entre ellas.
- Las fuerzas eléctricas dependen del medio en el que están situadas las cargas. No es igual la fuerza existente entre dos cargas cuando están en el vacío que cuando están en otro medio material, como el aceite o el agua.
Estos factores se resumen en la ecuación conocida como la ley de Coulomb, que permite calcular la intensidad de atracción o repulsión de dos cargas.

F = K

- “F” es la fuerza eléctrica, expresada en newtons.
- Q1 y Q2 son las cargas, expresadas en coulombs.
- “d” es la distancia que separa las cargas, expresada en metros.
- “K” es una constante, denominada constante coulomb, cuyo valor depende del medio, y que en el vacío o en el aire es de 9 × 109 N. m2/C2.

Para operar con más de una fuerza hay que tener presentes las leyes del álgebra vectorial ya estudiadas. Es decir, al operar la ecuación de la ley de Coulomb, podemos prescindir del signo de las cargas que interactúan, indicando en su representación vectorial si las fuerzas son de atracción o repulsión. El enunciado de esta ley es el siguiente:

La fuerza (F) con la que dos cargas (Q1 y Q2) se atraen o se repelen, es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) que las separa.

Fórmulas

* Ley cuantitativa:
n : número de electrones
Q = n . | e |
e : carga eléctrica

* Principio de conservación:

Qneta = cte Þ Qneta inicio = Qneta final

* Fuerza eléctrica:

K : constante de coulomb
q1,q2 : cargas eléctricas

d : distancia

Fe : fuerza eléctrica
Eo : permitividad eléctrica del vacío

Unidades de medida

PRIMERA PRACTICA
NIVEL 1 :

1. Determinar el número de electrones en una carga de +32 × 10-19 C.

a) 10 b) 20 c) 200

d) 2 e) 2000

2. Indicar las cargas correctas:

Q1 = +64 × 10-19 C

Q2 = -8 × 10-19 C

Q3 = -5 × 10-19 C
Q4 = +12×10-19 C

a) Q1 y Q3 b) Q2 y Q4 c) Q1 y Q2

d) Q3 y Q4 e) Q2 y Q3

3. Si un cuerpo eléctricamente neutro gana
5 × 1020 electrones, calcular su carga en “C”.

a) 40 C b) 60 c) 80
d) 8 e) 400

4. Una barra de vidrio frotada con un paño pierde
25 × 1020 electrones, calcular la carga en “C”.

a) 100 C b) 200 c) 400
d) 800 e) 40

5. Un trozo de plástico frotado totalmente gana 14 × 1020 electrones, determinar su carga en “C”.

a) 22,4 C b) 224 c) 2,24
d) 2240 e) N.A.

6. Se dispone de tres cargas eléctricas “A”, “B” y “C” al acercarlas se observa que “A” y “B” se repelen, que “B” y “C” se atraen; si “C” tiene un exceso de electrones, ¿de qué signo es la carga de “A”?

a) Positivo.
b) Negativo.
c) Neutro.
d) Falta saber los valores de las cargas.
e) Falta información sobre la distancia.

7. Se tienen dos cargas de +4 × 10-5 y
-3 × 10-5 C. Diga Ud. de qué tipo es la fuerza de interacción y que sucederá con la fuerza si disminuímos la distancia de separación entre dichas cargas.

a) Repulsión, disminuye.
b) Atracción, aumenta.
c) Repulsión, aumenta.
d) Atracción, disminuye.
e) F.D.

8. Dos cargas se atraen con una fuerza “F”, ¿qué sucederá con la fuerza, si la distancia de separación la reducimos a la mitad?

a) Se reduce a la mitad.
b) Se duplica.
c) Se reduce a la cuarta parte.
d) Se cuadruplica.
e) No se altera.

9. Se tienen dos cargas eléctricas (A) y (B) que se repelen entre sí con una fuerza “F”. ¿Cuál será la nueva fuerza de interacción, si los valores de las cargas se duplican y también se duplica la distancia de separación entre ellas?

a) F b) c) 2F
d) e) 4F

10. Dos cargas “Q1” y “Q2” separadas por cierta distancia “d” se atraen con una fuerza de 10N. Si una de ellas se cuadruplica, ¿cuál deberá ser la nueva distancia de separación para que la fuerza no se altere?

a) b) c) 2d
d) 4d e) d

NIVEL 2 :

1. Dos cargas eléctricas interaccionan con 60N y si una de las cargas se duplica y la otra se reduce a su tercera parte y la distancia se reduce a la mitad, ¿cuál es la nueva fuerza de interacción?

a) 80 N b) 100 c) 160
d) 200 e) 360

2. Dos cargas puntuales se repelen con una fuerza de 5 N. Si una de las cargas se duplica y la distancia se reduce a la mitad, hallar la variación de la fuerza que sufren las cargas.

a) 15 N b) 20 c) 35
d) 40 e) 55

3. Dos cargas de +4 × 10-6 C y -5 × 10-6 C se separan una distancia de 3 m, ¿con qué fuerza se atraen?

a) 1 N b) 10 c) 2 × 10-2
d) 20 e) 0,2

4. Se tienen dos cargas de 2 mC y 3 mC respectivamente y están separadas 3 cm. ¿Cuánto vale la fuerza de interacción electrostática?

a) 60 N b) 600 c) 6 000

d) 6 e) 60 000

5. Dos esferas conductoras del mismo radio con carga de 20 mC y -10 mC se ponen en contacto y luego se les separa una distancia de 30 cm. Hallar la fuerza eléctrica entre ellas.

a) 1 N b) 1,5 c) 2

d) 2,5 e) 3

6. Dos esferas conductoras idénticas, pequeñas, cuyas cargas son +35 mC y -45 mC se acercan hasta tocarse y luego se separan hasta que su distancia es 10 cm. ¿Cuál es ahora la fuerza de interacción entre ellas?

a) 70 N b) 90 c) 50

d) 57,5 e) 22,5

7. Se tienen dos cargas qA = 9qB que se repelen con 90 N. Si su separación es 6 cm, hallar “qB”.

a) 1 mC b) 2 c) 4
d) 6 e) 8

8. Se tienen tres cargas puntuales, dispuestas como se muestra en la figura, halle la fuerza eléctrica resultante sobre la carga (C).
qA = 9 mC; qB = +2 mC; qC = -6 mC

 

a) 15 N b) 30 c) 45
d) 60 e) 75

9. Determinar la fuerza eléctrica total sobre la carga
q0 = 2 mC, si: q1 = 50 mC, q2 = -40 mC.

 

a) 1 440 N b) 1 800 c) 360
d) 2 160 e) 1 840

10. En el gráfico mostrado, calcular la fuerza resultante sobre la carga “q3”. (q1 = q2 = q3 = 10-4 C)

 

a) 7,5 N b) 10 c) 12,5
d) 15 e) 17,5

NIVEL 3 :

1. Al iluminar con luz ultravioleta a una placa de zinc, la placa logra electrizarse con 16mC; determine el número de electrones que ganó o perdió.

a) 1019 perdió b) 1018 ganó c) 1017 perdió
d) 1013 ganó e) 1014 perdió

2. Se tiene una esfera metálica cargada con +12C. ¿Cuántos electrones debe ganar para quedar eléctricamente neutra?

a) 5.1019e- b) 6.1019e- c) 6,5.1019e-
d) 7.1019e- e) 7,5.1019e-

3. Encontrar la relación x/y para que la carga “q” se mantenga en equilibrio.

a) b) c)
d) e)

4. Calcular la fuerza resultante sobre la carga central.

 

a) b) c)
d) e)

5. Tres partículas con cargas idénticas están situadas en los vértices de un triángulo equilátero. Si la magnitud de la fuerza electrostática entre dos cargas es de entonces la magnitud de la fuerza resultante sobre una de ellas es:
a) 1 N b) 2 c)
d) e) 3
6. Calcular “Q” para que la carga qo(-) se mantenga en reposo (R = radio)

a) b) Q = 2q c) d) e) Q = 3q

7. Hallar la fuerza resultante sobre una de las cargas.

a) b) c)
d) e)
8. La figura muestra dos esferas cargadas con igual magnitud pero signos diferentes (q = 20 mC), peso
20 N cada uno y separados a una distancia de 30 cm. Determinar la tensión en la cuerda (1).

a) 100 N b) 80 c) 120
d) 140 e) 160

9. La figura muestra una barrera homogénea y uniforme en equilibrio. Cada esfera tiene un peso de 5 N y cargadas con magnitud q = 20 mC, pero signos diferentes. Hallar el peso de la barra.

a) 50 N b) 60 c) 70
d) 80 e) 140

10. La figura muestra dos esferitas cargadas con magnitud “q” y “3q” respectivamente. La esferita móvil de masa m = 90 g y carga eléctrica “q” se encuentra en equilibrio en la posición mostrada. La esferilla de carga “3q” se encuentra fijo. Si el radio del casquete dieléctrico y liso, es R = 10cm, hallar “q”, g = 10 m/s2.

a) 10-4C b) 10-6 c) 10-8
d) 10-10 e) 10-7

11. Cuatro cargas puntuales de valor “q” cada uno están situados en dos vértices de un cuadrado. ¿Cuál será la carga “Q” de signo contrario que es necesario colocar en el centro del cuadrado tal que, el sistema se encuentra en equilibrio?

a) b)
c) d)
e)

12. En los vértices de un triángulo equilátero de lado 0,3 m se han colocado tres cargas eléctricas de magnitud: +Q; +2Q; -3Q donde Q = 10 mC. Determinar la fuerza resultante que actúa sobre la carga “+Q”. Considere solo fuerzas eléctricas.

a) b) c)
d) e)
13. En los vértices de un exágono regular se colocan cargas eléctricas iguales de valor “+q”. ¿Qué carga habrá que colocar en el centro del exágono; para que todo este sistema de cargas permanezca en equilibrio?

a) Q = 1,82 q
b) Q = 0,46 q
c) Q = 3,66 q
d) Q = 3,46 q
e) Q = 1,83 q

 

14. Tres pequeñas esferas idénticas electrizadas con 2mC están en equilibrio tal como se muestra. Determine la masa de la esfera “A” (g = 10 m/s2)

a) 50 g b) 60 c) 40

d) 20 e) 80

15. En un bloque homogéneo de madera (1kg) se encuentra incrustada una partícula electrizada con +3mC el cual está en equilibrio en dos paredes idénticas tal como se muestra. Determine el valor de la fuerza de rozamiento que ejerce la pared “A” al bloque. (g = 10 m/s2)

a) 4 N b) 6 c) 16

d) 12 e) 8

16. Dos esferas idénticas de electrizadas con -4mC están en equilibrio en la posición que se muestra. Determine el radio de la semicircunferencia.

a) 0,8 m b) 0,2 c) 0,4

d) 0,12 e) 1,2

17. Una barra de madera está en equilibrio en la posición que se muestra, determine su masa si en sus extremos se encuentra incrustadas dos partículas electrizadas.
(g = 10 m/s2; q = 2.10-6C)

a) 0,2 kg b) 0,4 c) 0,6
d) 0,8 e) 0,9

COMPLEMENTO

1. Al frotar una barra de vidrio la estamos cargando ________________ y de tal modo que al acercarle un cuerpo liviano, lo atrae.

2. Los fenómenos eléctricos dan lugar a fuerzas de _______________ y fuerzas de _______________.

3. Si un cuerpo tiene carga negativa, es porque ha _______________________ electrones, y por tanto, posee mas _______________ que _________________.

4. Si un cuerpo tiene carga ________________, es porque ha cedido ________________, y por tanto posee menos ______________ que __________________.

5. La carga de un electrón y de un protón, son:

qe- = ____________________ Coulomb

qp+ = ____________________ Coulomb

6. La carga eléctrica de cualquier cuerpo siempre debe ser __________________ de la carga eléctrica de electron y por tanto: q = _______________ |e|

7. Entre las cargas eléctricas surgen fuerzas de atracción o de repulsión, siendo para cada caso respectivamente:

a) cargas de signos ___________________
b) cargas de signos ___________________

8. Las fuerzas eléctricas aparecen sobre cada ________________, son de ______________ magnitud y de _____________________ opuestos.

9. La ley de Coulomb, nos permite calcular la fuerza de _____________________ y _____________________ entre dos cargas eléctricas.

10. El valor de la fuerza eléctrica se determina: