FÍSICA II PRÁCTICO 5 Corriente continua

Transcripción

1 FÍSICA II PRÁCTICO 5 Corriente continua Ejercicio 1 Se considera un cable de plata de 1 mm 2 de sección que lleva una corriente de intensidad 30A. Calcule: a) La velocidad promedio de los electrones suponiendo que sólo un electrón por átomo interviene en la conducción. b) La densidad de corriente en el cable. c) La d.d.p. requerida para enviar dicha corriente a través de 50 m de alambre de plata. Datos de la plata: densidad 10,5 g/cm 3 ; masa atómica 107,87 g/mol; resistividad 1, m. Ejercicio 2 Una unión p-n está formada por dos materiales semiconductores diferentes en forma de cilindros idénticos de 0,165 mm de radio, como se muestra en la figura. En una aplicación fluyen a través de la unión 3, electrones por segundo del lado n al lado p, mientras que 2, huecos por segundo fluyen del lado p al lado n. (Un hueco actúa como se fuera una partícula de misma carga que los electrones, pero de signo opuesto). Determine la corriente total y la densidad de corriente. p n Ejercicio 3 Un alambre de resistencia R o, largo L y sección transversal constante se estira para formar otro alambre cuya longitud es 3 veces la original. Encuentre la resistencia del nuevo alambre en función de R o suponiendo que la resistividad y la densidad del material no cambian durante el estiramiento. Ejercicio 4 En la atmósfera inferior de la Tierra existen iones negativos y positivos, creados por elementos radiactivos en el suelo y en los rayos cósmicos del espacio. En cierta región, el campo eléctrico atmosférico es de 120 V/m dirigido hacia abajo. Debido a este campo, los iones conuna sola carga positiva (620 por cm³) se mueven hacia abajo y los iones con una carga negativa (550 por cm³) se mueven hacia abajo. La conductividad media es de /Ωm. Calcule: a) La velocidad dearrastre de los iones. b) La densidad de corriente. Práctico 5 1

2 Ejercicio 5 Un relámpago cae en el extremo de un pararrayos de acero y produce una corriente de A que dura 65 μs. El pararrayos mide 2.0 m de altura y 1.8 cm de diámetro, y su extremo inferior está conectado a tierra por medio de un alambre de cobre de 8.0 mm de diámetro. a) Calcule la diferencia de potencial entre la parte superior del pararrayos de acero y el extremo inferior del alambre de cobre durante la descarga. b) Determine la energía total que se deposita en el pararrayos y en el alambre por la corriente. Ejercicio 6 Una batería de 12.0 V tiene una resistencia interna de 0.24 V y capacidad de 50.0 Ah. La batería se carga haciendo pasar una corriente de 10 A a través de ella durante 5.0 h. a) Cuál es el voltaje terminal durante el proceso de carga? b) Cuál es el total de energía eléctrica que se suministra a la batería durante la carga? c) Cuánta energía eléctrica se disipa en la resistencia interna mientras se carga la batería? d ) Se descarga por completo la batería a través de un resistor, de nuevo con una corriente constante de 10 A. Cuál es la resistencia externa del circuito? e) Cuánta energía eléctrica se suministra en total al resistor externo? f ) Cuánta energía eléctrica se disipa en total en la resistencia interna? g) Por qué no son iguales las respuestas a los incisos b) y e)? Ejercicio 7 a) Dos lámparas eléctricas, de resistencias R 1 y R 2 (R 2 < R 1 ), se conectan en serie y en paralelo, en ambos casos a la misma fuente (es decir a la misma tensión). Para cada conexión, Cuál de las dos se ve más brillante? b) Explique como pueden funcionar las lamparitas de una guirnalda navideña si se conectan a 220 voltios y cada una tiene un filamento que no soporta una tensión mayor de 25 voltios. c) Explique qué significa el rótulo 75 W en una lámpara doméstica. d) Si se desea que una estufa disipe más calor, se debe acortar el rulo o alargarlo? Práctico 5 2

3 Ejercicio 8 Un voltímetro (resistencia R V ) y un amperímetro (resistencia R a ) están conectados para medir una resistencia R, como en la figura. La resistencia está dada por R = V/i en donde V es la lectura del voltímetro e i es la corriente en el resistor R. Parte de la corriente registrada por el amperímetro (i ) pasa por el voltímetro de modo que la razón de las lecturas en el amperímetro (=V/i ) da únicamente una lectura aparente de la resistencia R, que llamaremos R. Demuestre que R y R se relacionan según: Nótese que cuando R V, R R. Ejercicio 9 En el circuito que se ilustra en la figura encuentre a) la corriente en el resistor de 3.00 V; b) las fem desconocidas E 1 y E 2 ; c) la resistencia R. Note que se dan tres corrientes. Ejercicio 10 En la figura se ilustra un circuito en el que todos los medidores son ideales y las baterías no tienen resistencia interna apreciable. a) Diga cuál será la lectura del voltímetro con el interruptor S abierto. Cuál punto está a un potencial mayor: a o b? b) Con el interruptor cerrado, obtenga a lectura del voltímetro y del amperímetro. Cuál trayectoria (superior o nferior) sigue la corriente a través del interruptor. Práctico 5 3

4 Ejercicio 11 En el circuito de la figura se mide la corriente que pasa a través de la batería de 12.0 V y resulta ser de 70.6 ma en el sentido que se indica. Cuál es el voltaje terminal Vab de la batería de 24.0 V? Ejercicio 12 La relación entre la corriente y el voltaje de un diodo semiconductor está dada por: ev I=I S (e kt 1) I + V - donde k = J/K es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta e I S es una constante característica de cada diodo. El diodo está conectado en serie con un resistor R = 1.00 Ω y una batería con E = 2.00 V. La batería tiene resistencia interna despreciable. a) Obtenga una ecuación para V. Observe que no es posible despejar V algebraicamente. b) El valor de V debe obtenerse con métodos numéricos. Un enfoque es probar un valor de V y observar lo que ocurre en los lados izquierdo y derecho de la ecuación, luego se usa esto para mejorar la selección de V. Con I s = 1.50 ma y T = 293 K, obtenga una solución (exacta hasta dos cifras significativas) para la caída del voltaje V a través del diodo y la corriente I que pasa por éste. Práctico 5 4

5 Ejercicio 13 Un capacitor que inicialmente está descargado se conecta en serie con un resistor y una fuente de fem con E = 110 V y resistencia interna insignificante. Apenas completado el circuito, la corriente que pasa por el resistor es de A. La constante de tiempo para el circuito es de 6.2 s. Cuáles son los valores de la resistencia del resistor y de la capacitancia del capacitor? Ejercicio 14 El capacitor de la figura está inicialmente descargado. El interruptor se cierra en t = 0s. a) Inmediatamente después de cerrar el interruptor, cuál es la corriente a través de cada resistor? b) Cuál es la carga final en el capacitor? Ejercicio 15 Considere el circuito de la figura en la que se muestra una lámpara de descarga gaseosa (L). Cuando la tensión en los bornes de la lámpara supera un valor crítico Vc, se produce una descarga en su interior, emitiendo luz. Considere que la descarga es instantánea e inmediatamente después de la descarga el condensador queda descargado, además, mientras la tensión en la lámpara es menor que Vc, la corriente en esa rama es cero. Suponga que Vc = ½ V 0, R=10 k y C=2, F. Para estos datos, realice una gráfica cualitativa de la tensión en los bornes de la lámpara en función del tiempo, para varias descargas del capacitor. Suponga que en t = 0 el capacitor está descargado. Halle el periodo de la lámpara (cada cuanto tiempo se enciende). Práctico 5 5