Preguntas Teóricas Física III 1) Considerar que el voltaje máximo de un generador de corriente alterna es. Se conectan en serie con el generador una resistencia, una inductancia y un condensador. La suma de los voltajes máximos entre los extremos de los elementos de un circuito serie RLC conectados a ese generador de corriente alterna, Es en general igual a? No, debido a que la suma es vectorial. 2) Considerar que el voltaje máximo de un generador de corriente alterna es. Se conectan en serie con el generador una resistencia, una inductancia y un condensador. Las tensiones eficaces en el condensador y en la inductancia son iguales en modulo y están desfasadas en 180. Entonces, Se cumple? Como Si se cumple que. X L R X C 3) Se tiene una fuente de tensión constante con resistencia interna r. Cómo se define la fem de esa fuente? Dibujar un circuito que haga posible la medición de la fem de la fuente. Cómo se puede medir la diferencia de potencial entre los extremos de conexión de la fuente? Justificar esta ultima respuesta. Se define 1
Para medir la diferencia de potencial utilizo un circuito potenciometrico: Donde e x es la diferencia de potencial a medir y e es conocida. Se puede medir la diferencia de potencial usando un voltimetro con una resistencia R>>>r para que la intensidad que atravieza por el voltimetro sea lo suficientemente chica. Hay que conectar el voltimetro de forma paralela, nunca en serie. 4) Es posible traer una carga de prueba q 0 del infinito hasta el punto medio entre dos cargas puntuales, de igual magnitud (q) y distinto signo, ubicado sobre la recta que une las dos cargas, sin realizar trabajo? Si es asi, describa como se puede lograr. Si no es posible explique porque. La energia potencial del sistema (formado por +q, -q, q 0 ) aumenta, disminuye o permanece constante cuando la carga de prueba se encuentra en el punto indicado, en comparacion con la energia de potencial del sistema formado por +q y q. Justificar la respuesta. 2
Como el campo electroestatico es conservativo se puede plantear: con La energia potencial permanece constante. con 5) Se tiene un circuito formado por una sola malla, con una fuente de tension continua y resistencia interna r conectada a una resistencia R. La circulacion del campo electrico E a lo largo del circuito es cero? Justificar analiticamente. Si el campo electrico fuera solo del tipo conservativo: En estas condiciones no se podria extraer energia del circuito. Con solo campos conservativos no se puede conseguir en un circuito. (FEM de la fuente) En un circuito como el indicado: (Camino cerrado) 6) Se tiene un conductor cargado en equilibrio electroestatico. Demostrar que sobre los puntos de la superficie el vector campo electrico tiene direccion normal (a la superficie). Demostrar que la superficie de un conductor cargado en equilibrio electroestatico es equipotencial. Si no tuviera direccion normal existiria una componente tangencial del campo. Con esta componente es imposible que la carga distribuida en la superficie del conductor estuviera en reposo. Si tiene direccion normal. Por lo tanto: del conductor. onde 1 y 2 son puntos arbitrarios de la superficie 3
7) Explicar fisicamente como seria el grafico de la intensidad de corriente electrica versus la diferencia de potencial para el filamento de tungsteno de una lampara incandesente. Realizar el grafico correspondiente a mano alzada indicando claramente las magnitudes representadas en cada uno de los ejes. Mientras V sea pequeño (menos que el V nominal de la lampara), se puede considerar que el filamento de tungsteno trabaja en frio y su resistencia no cambia significativamente. Cuando V comienza a aumentar, considerando un valor R, i aumenta y la temperatura del filamento comienza a cambiar significativamente. Por lo tanto, R comienza a aumentar (con el aumento de T). El filamento deja de tener un comportamiento lineal u ohmico. y 8) Se tiene un condensador de placas paralelas de area A, sin dielectrico y con una carga Q. Si ahora se separan sus placas (de manera tal que los efectos de bordes sigan siendo despreciables), obtener una expresion para el calculo de la fuerza en cada una de las placas del condensador. Como dc con F: Fuerza Conservativa 4
Otra forma: 9) Se tiene una fuente de tension continua que tiene una resistencia interna r y una fem que se conecta a una resistencia de carga R (como muestra la figura). Cómo se puede calcular el valor de la resistencia de carga para la caul la fuente entrega la maxima potencia? Calcularlo. 10) Se carga un condensador de placas paralelas (sin dielectrico) con una fuente de tension constante ideal y se determinan las siguientes magnitudes: La capacidad del condensador (C 0 ), la carga del condensador (q 0 ), la diferencia de potencial entre las placas (V 0 ), el modulo del vector campo electrico entre las placas (E 0 ) y la energia de potencial electroestatica almacenada en el condensador (U 0 ). Sin ser desconectado de la fuente, se ocupa todo el volumen interior del condensador con un dielectrico de constante dielectrica k. Explicar brevemente como resultan ser ahora (iguales, mayores, menores) todas las magnitudes anteriores (C,q, V, E y U), en comparacion con las mismas magnitudes, con el condensador cargado, conectado a la fuente de tension sin dielectrico. En particular, explicar mas detalladamente que pasa con la energia almacenada en el condensador. Tensión Constante: El armado del capacitor se hace estando conectado a una fuente, manteniendo la diferencia de potencial del capacitor constante. (Aumenta) (Aumenta) (Se mantiene igual) (Se mantiene igual) (Aumenta) La energia almacenada en el condensador aumenta debido a que la presencia del dielectrico aumenta la carga en el condensador. 5
11) En el vacio se tienen dos esferas metalicas de radios R 1 y R 2 donde R 1 >R 2. La esfera de radio R 1 esta cargada negativamente siendo su carga Q. Qué experimento puede hacerse para conseguir que la esfera de radio R 2 se cargue positivamente? Justifique su respuesta. Qué experimento puede hacerse para conseguir que la esfera de radio R 2 se cargue negativamente? Con los elementos aprendidos en Fisica III se podria calcular la carga de la esfera de radio R 2? Justifique su respuesta. Para cargar positivamente a R 2 se la conecta a tierra y se le acerca R 1, con una carga de Q, lo suficientemente cerca como para repeler las cargas negativas de R 2 pero sin tocarse ambas esferas entre si, dado que si esto ultimo pasara ambas esferas se descargarian. Para cargar negativamente a R 2 debe haber contacto con la esfera de radio R 1. De esta forma se transfiere parte de la carga a la esfera de menor radio quedando ambas cargadas negativamente. Es importante que ambas esferas esten aisladas, ya que si una de las dos esta conectada a tierra se perdera la carga de ambas cuando se realice el contacto. No se puede calcular la carga en la esfera de radio R 2 con los elementos aprendidos en el laboratorio dado que se necesita saber la distancia de carga inducida. 12) Se tiene un conductor de forma arbitraria cargado negativamente (ningun material rodea al conductor) y en condiciones de equilibrio electroestatico. Si es la densidad superficial de carga del conductor: a) Cuál es el modulo, direccion y sentido del campo electrico en cada uno de los puntos de la superficie del conductor? b) Qué se puede decir del potencial electrico evaluado en cada uno de los puntos del interior y de la superficie del conductor? a) Ley de Gauss + Beneficio Adicional b) Como tiene direccion normal. Por lo tanto: del conductor. onde 1 y 2 son puntos arbitrarios de la superficie 6
13) Un profesor de Fisica, que se encuentra en el laboratorio parado frente a sus alumnos, toma un iman con forma de barra con su mano derecha y lo mueve a velocidad constante (respecto de sus alumnos que s eencuentran sentados en el laboratorio). El profesor les pregunta a sus alumnos, y a ustedes, se esta generando un campo electrico en el espacio proximo al iman? Si la respuesta es no, justificar porque no. Si la respuesta es si, ese campo es conservatico? Justificar. Si, se esta generando un campo electrico, que no es conservativo. En los puntos proximos al iman se tiene que, por lo tanto: Con S: Superficie que tiene puntos donde y ademas no es perpendicular a. Donde C: Curva que encierra a la superficie S. Como la circulacion de a lo largo de un amino cerrado es distinta de cero, entonces no es conservativo. 14) Por qué un transformador funciona con corriente alterna y no con corriente continua? El funcionamiento del transformador se basa en el efecto de mutua induccion. Por lo tanto, la intensidad de corriente electrica en el primario tiene que ser funcion del tiempo. Si el primario se conecta a una fuente de corriente continua habria una i(t) en el primario en el instante que se conecta a la fuente y en el instante en el que desconecta, pero con esto no se puede justificar el funcionamiento del transformador. 7
15) Se tiene una bobina con un nucleo de hierro laminado en forma de herradura. Un anillo se coloca en la herradura. La bobina se puede conectar a una fuente de tension. Considerar que inicialmente la bobina esta desconectada y el anillo se encuentra apoyado sobre ella. Se conecta la bobina a la fuente y se observa que el anillo se eleva y queda flotando. Cómo tiene que ser la fuente de tension (Continua/Alterna) y de que material tiene que ser el anillo (Conductor/ Dielectrico) (Ferromagnetico/Paramagnetico/Diamagnetico) para que el anillo se eleve y quede flotando? Por qué el anillo se eleva y queda flotando? A este experimento se lo conoce como Anillo de Thomson. Para lograr el efecto deseado (levitacion del anillo), se debe utilizar un nucleo de hierro (material ferromagnetico), un anillo conductor de aluminio (material paramagnetico) y una fuente de tension de corriente alterna. La razon de este efecto es que la fuerza de Lorentz que actua sobre el anillo proviene de la interaccion del campo magnetico que genera la bobina, con la corriente inducida por el mismo en el anillo. + donde 16) Explicar brevemente como se puede generar corriente alterna con una bobina de N vueltas, de seccion rectangular (lado mayor a y lado menor b) en un campo de induccion magnetica uniforme de modulo B. Cuál es el valor maximo de la fem inducida en la bobina? A partir de la Ley de Faraday, circuito de varias formas: - La magnitud de cambia con el tiempo. - El Area encerrada por la espira cambia con el tiempo., se observa que una fem puede ser inducida en un - El angulo existente entre y la normal a la espira puede cambiar con el tiempo. - Cualquier combinacion de las anteriores. Para este caso en particular, dado que B es uniforme y que el area encerrada por las espiras de la bobina se mantiene constante, se debe cambiar el angulo existente entre y la normal a la bobina en funcion del tiempo. El valor maximo de la fem inducida en la bobina es: 8
17) Explicar que efecto (Atraccion/Repulsion) preoducen los polos de un iman sobre un material diamagnetico. Justifique la respuesta. Primero que nada debemos tomar un modelo en el cual los atomos actuan como espiras con corriente. El campo magnetico exterior induce un momento dipolar magnetico en la espira con corriente, por esta razon la espira se alinea antiparalelamente al campo exterior, y ahora genera un campo magnetico por dipolos. En general: Por esta razon es que no suele ser facil de visualizar u observar el efecto de repulsion de un material diamagnetico. 18) Se dispone de una bobina de inductancia L y resistencia r desconocidas. Se tiene ademas una fuente de tension de corriente alterna de frecuencia f conocida, un voltimetro con escalas adecuadas y una resistencia R conocida. Se conectan en seria la bobina y la resistencia R a travez de la fuente. Indicar todas las mediciones que se deben realizar y escribir todas las ecuaciones necesarias para que el circuito indicado se pueda calcular la inductancia L y la resistencia r de la bobina. Considerar que la fuente de corriente alterna y la resistencia R que se utilizan son adecuadas para realizar el experimento. Para el experimento no se cuenta ni con un amperimetro ni con un ohmetro. 9
19) Cuando se toca el pulsador de un timbre, este suena practicamente en forma simultanea. esto se debe a que la velocidad con que se desplazan los electrones por los cables es muy grande? Cómo se calcula esa velocidad? Demostrar la formula que premite calcular la velocidad de desplazamiento de los electrones, debe quedar expresada en terminos de magnitudes que puedan ser medidas. Ademas, se debe indicar que representa cada magnitud que aparece en la formula. No, todo lo contrario, la velocidad con que se desplazan los electrones por los cables es muy chica. n: Numero de portadores de carga por unidad de volumen q: Carga del electron : Velocidad de arrastre o conduccion L: Longitud del cable S: Seccion del cable i: Intensidad de corriente electrica J: Densidad de corriente electrica 20) Una muestra que contiene 10 21 moleculas de agua se encuentra en una region donde existe un campo electrico 2,5.10 5 (N/C). Si se supone que una molecula de agua tiene un momento dipolar electrico 6,3.10-30 (Cm) y que todas las moleculas de agua se orientan hasta alcanzar una posicion de equilibrio estable. Cuánto trabajo se requiere para hacer girar los dipolos desde la posicion de equilibrio estable hasta una en la que los momentos dipolares son perpendiculares al campo electrico? Posicion de equilibrio estable: 10
21) Se tiene un condensador de placas paralelas que tiene un dielectrico que ocupa todo el espacio entre las placas y cuya constante dielectrica (relativa) es K. El area de cada placa es A y la distancia entre ellas es D. Se carga el condensador con una fuente de tension idea que posee una diferencia de potencial y se observa que aparece un intensidad de corriente electrica a traves del dielectrico. En esta situacion se suele decir que el dielectrico tiene perdida. Si se considera que la conductividad del dielectrico es, demostrar que la resistencia electrica R del dielectrico puede ser escrita solo en funcion de K, y C. Si como parte de la demostracion se realizan algunas suposiciones sobre la uniformidad de alguna magnitud, se tiene que despreciar algun efecto y se supone valida alguna ley, todo eso tiene que quedar perfectamente aclarado para que la demostracion sea considerada como correcta. 22) Qué puede medir un espectrometro de masas? Qué partes lo componen? Cómo se realiza la medicion? Un espectrometro de masas consta de dos partes; Un selector de velocidad y un segundo campo magnetico uniforme que tiene la misma direccion que el campo magnetico del selector. Mediante este dispositivo es posible determinar la relacion midiendo el radio de curvatura y conociendo cules son los valores de los campos (Los dos magneticos y el electrico). Y asi poder calcular la masa de diferentes isotopos de un ion conocido. La medicion se realiza al hacer pasar iones a travez del selector de velocidad para luego llegar al segundo campo magnetico donde, frente a la ausencia de un campo electrico, se genera unsemicirculo de radio r y luego impacta contra una pelicula fotografica. 11
23) Se tiene un condensador esferico constituido por dos esferas de radio R 1 y R 2 (R 1 <R 2 ). Se conecta a una fuente de tension continua, sin resistencia interna, cuya diferencia de potencial entre los extremos es. Indique dos maneras distintas (claramente distintas) de calcular la energia almacenada en el condensador. Para que la respuesta pueda ser considerada como correcta deben realizarse los dos calculos indicados en forma completa. Considerar que la diferencia de potencial de la fuente es dato. Hacer un esquema sobre como se conecta la fuente al dondensador. Si recuerda la capacidad de un condensador esferico, la puede utilizar sin demostracion. 1 er Forma) 2 da Forma) con 12