Física Libro 02 2016 Piloto

PSU -FÍSICACONTENIDOS ACTUALIZADOS 2016

TOMO II

FÍSICA EN NUESTRO ENTORNO

Mauricio Chiong Castillo Camilo Contreras Herrera Edición y revisión Felipe Sánchez Varas

Edición 2016

Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido visita www.psuparatodos.com

PSU -FÍSICACONTENIDOS ACTUALIZADOS 2016

TOMO II

FÍSICA EN NUESTRO ENTORNO

Mauricio Chiong Castillo Camilo Contreras Herrera Edición y revisión Felipe Sánchez Varas

Edición 2016



Prefacio

Como grupo educativo siempre hemos disfrutado el desafío que implica enseñar las materias de física de una manera sencilla, didáctica y entretenida. Con ese espíritu se decidió recopilar de manera rigurosa todos los temas de la PSU de física considerando todos los tópicos relacionados al plan común y plan mención de esta prueba. Pese a que está indicado qué contenidos corresponden a cada sub-área, recomendamos a los alumnos profundizar más allá de los contenidos mínimos, los que serán abordados en su totalidad, y complementados por experimentos y trabajos grupales. El plan de física consta de dos textos en el cual se implementa teoría, ejercitación PSU y método Kumon, los que tienen el propósito de sentar las bases del aprendizaje en aquellos tópicos que proporcionan un alto nivel de autoconfianza autoconfianza al estudiante y la habilidad de aprender por él mismo, incluyendo ejercicios resueltos y propuestos. El presente texto corresponde al tomo II corresponde a la física en nuestro entorno, enfatizando en los temas de termodinámica, electricidad, magnetismo, la tierra y su entorno. . El tomo I profundiza en los temas de movimiento, como cinemática, mecánica y ondas. Se agradece al equipo de diseñadoras, docentes y administrativos del preuniversitario Gauss en la creación, revisión y distribución del tomo tomo I y el tomo II de Física. Esperamos que este libro les entregue todos los conocimientos necesarios para rendir una gran prueba.

Equipo Editorial Física

Mauricio Chiong Chiong Castillo Castillo Camilo Contreras Herrera

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Tabla de Contenidos

Prefacio .........................................................................................................................................

1

Capítulo 1: Termodinámica .....................................................................................................

7

1.

........................................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ .................. .... 7 Calor y temperatura .......................... 1.1. Escalas de medición ............................................................. ............................................................................................ ......................................................... ..........................7 1.1.1. Temperatura Temperatura ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. .................................... ......7 1.1.2. Celsius .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ................................................... .....................7 1.1.3. Kelvin ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ................................................... .....................7 1.1.4. Fahrenheit............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ......................................... ...........7 1.2. Transferencia Transferencia de calor.......................................................... ........................................................................................ ........................................................ ..........................8 1.2.1. El calor como energía ........................................................... ......................................................................................... ................................................... .....................8 1.2.2. Conducción .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ......................................... ...........8 1.2.3. Convección........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ......................................... ...........8 1.2.4. Radiación ......................................................... ........................................................................................ ............................................................. .............................................. ................9 1.2.5. Capacidad térmica ........................................................... .......................................................................................... ......................................................... ..........................9 1.2.6. Calor específico............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ................................9 1.3. Dilatación......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ................................................ .................. 10 1.3.1. Dilatación lineal ........................................................... .......................................................................................... ........................................................... ............................ 10 1.3.2. Dilatación de área ............................................................ ........................................................................................... ...................................................... ....................... 11 1.3.3. Dilatación volumétrica.............................................................. ............................................................................................ ........................................... ............. 12 1.4. Calor como energía.......................................................... ......................................................................................... ........................................................... ............................ 12 1.4.1. Cambios de fase y calor latente ............................................................ ........................................................................................ ............................ 12 1.4.2. Roce y Calor ......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ...................................... ........ 13 1.4.3. Unidades de medida.............................................................. ............................................................................................ ................................................ .................. 13 1.4.4. Conservación de la energía .......................................................... ........................................................................................ ...................................... ........ 13 1.5. Resumen........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ................................................ .................. 14 1.6. Ejercitación .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ........................................... ............. 15 1.7. Ejercicios PSU .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ...................................... ........ 17

Capítulo 2: ME Electricidad y magnetismo ......................................................................

21

.......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 21 Electrostática ........................... 1.1. Cargas........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ..................................................... ....................... 21 1.2. Métodos carga eléctrica ............................................................ .......................................................................................... ................................................ .................. 22 1.2.1. Frotación.......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ........................................... ............. 22 1.2.2. Contacto ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ........................................... ............. 22 1.2.3. Inducción ......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ........................................... ............. 22 1.2.4. Polarización......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ...................................... ........ 23 1.3. Ley de Coulomb............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ................................. ... 23 1.4. Campo eléctrico........................................ eléctrico....................................................................... ............................................................. ..................................................... ....................... 23 1.5. Potencial eléctrico y tensión eléctrica. ............................................................. ............................................................................... .................. 24 1.5.1. Trabajo eléctrico.......................................................... ......................................................................................... ........................................................... ............................ 24 1.5.2. Diferencia de Potencial............................................................. ........................................................................................... ........................................... ............. 25 1.6. Energía potencial eléctrica ........................................................... ......................................................................................... ........................................... ............. 25 1.7. Resumen........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ................................................ .................. 26 1.8. Ejercitación .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ........................................... ............. 27 1.9. Ejercicios PSU .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ...................................... ........ 29 ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 34 2. Corriente eléctrica .......................... 2.1 Aislantes y Conductores Conductores ........................................................... ......................................................................................... ................................................ .................. 34 2.1.1. Aislantes o Dieléctricos: ........................................................... ......................................................................................... ........................................... ............. 34

1.


3.

4.

5.

6.

2.1.2. Conductores ............................................................................................................................. 34 2.2. Corriente continua ......................................................................................................................35 2.3. Resistividad ................................................................................................................................... 35 2.4. Conductividad ............................................................................................................................... 36 Componentes de un circuito eléctrico RC .......................................................................... 37 3.1. Resistencia ..................................................................................................................................... 37 3.1.1. Resistencia en serie ............................................................................................................... 37 3.1.2. Resistencia en paralelo ........................................................................................................ 38 3.1.3. Reglas de Kirchhoff................................................................................................................ 38 3.2. Capacitor ......................................................................................................................................... 39 3.2.1. ¿Qué es un capacitor? ........................................................................................................... 39 3.2.2. Capacidad de un condensador:.........................................................................................39 3.2.3. Carga y descarga de un capacitor .................................................................................... 40 3.2.4. Capacitor en un circuito ...................................................................................................... 40 3.2.5. Capacitor en serie .................................................................................................................. 40 3.2.6. Capacitor en paralelo............................................................................................................ 41 3.3. Ley de Ohm .................................................................................................................................... 42 3.4. Voltímetro ...................................................................................................................................... 42 3.5. Amperímetro................................................................................................................................. 43 3.5.1. Definición de amperímetro ................................................................................................ 43 3.5.2. Amperímetro en serie .......................................................................................................... 43 3.5.3. Amperímetro en paralelo ................................................................................................... 43 3.6. Potencia eléctrica ........................................................................................................................43 3.7. Energía eléctrica .......................................................................................................................... 44 3.8. Ley de Joule .................................................................................................................................... 44 3.9. Resumen.......................................................................................................................................... 45 3.10. Ejercitación .................................................................................................................................... 46 3.11. Ejercicios PSU ............................................................................................................................... 48 Magnetismo ............................................................................................................................... 58 4.1. Fenómeno del magnetismo ..................................................................................................... 58 4.2. Campo magnético creado por una corriente eléctrica ................................................. 58 4.3. Fuerza magnética ........................................................................................................................59 4.4. Fuerza magnética sobre un conductor ............................................................................... 59 4.5. Fuerza magnética entre conductores paralelos.............................................................. 60 4.6. Espiras y bobinas......................................................................................................................... 60 4.7. Inducción electromagnética.................................................................................................... 61 4.8. Inductancia o autoinductancia............................................................................................... 61 4.9. Circuito RC...................................................................................................................................... 61 4.10. Circuito LC ...................................................................................................................................... 62 4.11. Circuito RCL ................................................................................................................................... 62 4.12. Motor de corriente continua................................................................................................... 63 4.13. Ley de Faraday ............................................................................................................................. 63 4.14. Ley de Lenz .................................................................................................................................... 63 Generación de energía eléctrica ............................................................................................ 64 5.1. Corriente alterna ......................................................................................................................... 64 5.2. Transformadores......................................................................................................................... 64 Ondas electromagnéticas ........................................................................................................ 65 6.1. Variación sinusoidal de campos............................................................................................ 65 6.2. Transmisión y recepción de ondas electromagnéticas................................................ 65 6.3. Funcionamiento de antenas .................................................................................................... 65


6.4. 6.5. 6.6.

Resumen.......................................................................................................................................... 66 Ejercitación .................................................................................................................................... 67 Ejercicios PSU ............................................................................................................................... 69

Capítulo 3: La tierra y su entorno .......................................................................................

75

La Tierra .................................................................................................................................... 75 1.1. La Tierra y su origen .................................................................................................................. 75 1.2. Geósfera........................................................................................................................................... 76 1.3. Hidrósfera....................................................................................................................................... 76 1.4. Atmósfera ....................................................................................................................................... 77 1.5. El dinamismo del planeta......................................................................................................... 77 1.6. Existencia de vida........................................................................................................................78 2. El sistema solar ......................................................................................................................... 78 2.1. Ley de gravitación universal................................................................................................... 78 2.2. Leyes de Kepler ............................................................................................................................ 78 2.2.1. Primera ley de Kepler........................................................................................................... 78 2.2.2. Segunda ley de Kepler .......................................................................................................... 78 2.2.3. Tercera ley de Kepler ........................................................................................................... 79 2.3. Los movimientos de la Tierra................................................................................................. 79 2.3.1. Rotación ..................................................................................................................................... 79 2.3.2. Traslación.................................................................................................................................. 79 2.4. La Luna ............................................................................................................................................ 80 2.5. Los planetas ................................................................................................................................... 81 3. El Universo ................................................................................................................................. 81 3.1. Las estrellas y su evolución..................................................................................................... 81 3.2. La vía láctea ................................................................................................................................... 81 3.3. Resumen.......................................................................................................................................... 82 3.4. Ejercitación .................................................................................................................................... 83 3.5. Ejercicios PSU ............................................................................................................................... 85 1.

ME Capítulo 4: Mundo atómico ..........................................................................................

90

El átomo ...................................................................................................................................... 90 1.1. Experimento de Rutherford.................................................................................................... 90 1.2. Modelos atómicos........................................................................................................................91 1.2.1. Modelo Thomson....................................................................................................................91 1.2.2. Modelo Bohr............................................................................................................................. 91 1.1. Principio de incertidumbre ..................................................................................................... 92 2. Núcleo atómico .......................................................................................................................... 92 2.1. Partes del átomo y sus características ................................................................................ 92 2.2. Radiactividad natural ................................................................................................................ 93 2.3. Decaimiento radiactivo............................................................................................................. 93 2.4. Relación entre masa y energía ............................................................................................... 93 2.5. Fisión y Fusión nuclear ............................................................................................................. 93 2.5.1. Fusión nuclear ......................................................................................................................... 93 2.5.2. Fisión nuclear .......................................................................................................................... 94 2.6. Fuerzas nucleares........................................................................................................................ 94 2.7. Resumen.......................................................................................................................................... 95 2.8. Ejercicios PSU ............................................................................................................................... 96 1.



Capítulo 1: Termodinámica 1. Calor y temperatura 1.1. Escalas de medición 1.1.1.Temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo. Así, mientras mayor movimiento interno haya, mayor será la temperatura. 1.1.2.Celsius

La escala de temperatura Celsius se basa en la temperatura de fusión y ebullición de agua para fijar su numeración. Simplemente atribuye el Celsius a la fusión y Celsius a la ebullición, y divide en cien partes iguales, denominados grados.

0

100

1.1.3. Kelvin

El físico William Thomson, más conocido como Lord Kelvin, debido a su título como Primer Barón de Kelvin, determinó la existencia de un Cero Absoluto, que es la temperatura mínima que puede alcanzar un cuerpo. Esta temperatura se calculó como la temperatura del punto triple del agua (0,01ºC) menos 273.16, quedando en un valor de 273,15ºC. El cero absoluto usualmente se aproxima a -273ºC, y dado que la escala Kelvin utiliza la misma graduación que Celsius, es sencillo realizar el cambio de graduación. El Kelvin es la unidad de medida oficial en el Sistema Internacional de medidas (SI). 1.1.4.Fahrenheit

Esta escala de temperatura fue propuesta por Daniel Fahrenheit en 1724 y si bien, la escala Fahrenheit no pertenece al sistema internacional de medidas, es ampliamente utilizada en países grandes como Estados Unidos, por lo cual es importante aprenderla. El punto cero se obtiene de colocar un termómetro en una solución de agua, hielo y cloruro de amonio. Se obtiene un segundo punto al colocar el termómetro en agua y hielo (sin sales), obteniendo los 32ºF. El tercer punto con que se armó esta escala se da al colocar el termómetro en la boca o la axila humana, obteniendo los 96ºF. La fórmula para convertir un grado Celsius a Fahrenheit, representados con respectivamente, es la que sigue:

 95 ∙+32

C  y

Si queremos convertirla de manera inversa, basta con despejar la ecuación. Como se aprecia, un grado Fahrenheit no es lo mismo que un grado Celsius, de hecho, solo equivale a 5/9 de él. Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido7 visita www.psuparatodos.com

1.2. Transferencia de calor 1.2.1.El calor como energía

El calor corresponde a una de las formas en que los cuerpos transfieren energía, se dice que el calor es una energía en tránsito que puede desplazarse dentro de un objeto y transferirse a otros a través de variados métodos. En termodinámica se considera el calor como la energía que es transferida de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellos. Adicionalmente sabemos que el flujo calórico será siempre desde el cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. 1.2.2.Conducción

La conducción es la forma de trasferencia de calor basada en el contacto directo de las partículas, en la figura podemos ver como el mechero le transfiere calor a la barra, luego el calor absorbido se distribuye dentro de ésta por el fenómeno de conducción, en este caso el calor viaja de izquierda a derecha. Esta forma de transferencia de calor el típica en objetos de estado sólido. Por ejemplo, una plancha traspasará calor a una camisa que esté en contacto con ella debido a la conducción. 1.2.3.Convección

La convección es la forma de transferencia de calor propia de los fluidos. En el ejemplo de la figura podemos observar como el líquido se calienta al estar más cerca de la fuente de calor. Luego de calentarse sube debido a la diferencia de densidad respecto del líquido que se encuentra sobre él, y como consecuencia el calor se transfiere dentro del fluido de manera cíclica, dando origen al movimiento de convección que muestra el dibujo Este fenómeno explica el comportamiento de las mareas en el mar, donde hay corrientes calientes y corrientes frías (como la de Humboldt). Cuando el sol calienta la tierra, las porciones de aire que están más cercanas a ésta reciben también calor, y por tanto aumenta su volumen y disminuye su densidad, estando propenso a subir. Cuando lo hacen, dejan un vacío en la parte inferior que debe ser llenado por aire que está alrededor. Este movimiento de masa de aire se llama viento.


1.2.4.Radiación

Existen formas de transmitir calor sin que haya un contacto entre las partículas de los cuerpos en cuestión. Por ejemplo, la radiación es la forma en que transfiere calor el Sol a la tierra, como consecuencia las reacciones nucleares de que generan gran cantidad de energía y que se transmite mediante ondas electromagnéticas a través del espacio. Como podemos ver en el esquema la lámpara emite calor y este es irradiado en distintas direcciones, parte de este calor al termómetro y por ende eleva su temperatura, lo que ocurrió es que se transfirió calor en forma de rayos. 1.2.5.Capacidad térmica

∆

Supongamos que un cuerpo recibe una cantidad de calor y como consecuencia de esto su temperatura varia en , diremos que es la capacidad térmica del cuerpo y que corresponde a la tasa entre el calor entregado y la variación de la temperatura del cuerpo.

∆



se medirá en

  K.



 ∆∆

1.2.6.Calor específico

Cada material es capaz de absorber calor que se traduce en un aumento en su temperatura. Evidentemente este aumento no es igual al pasar de sustancia a sustancia, sino que depende de las propiedades intrínsecas de cada una. La propiedad que indica cuanto calor es necesario para elevar en un grado Celsius (o Kelvin) un gramo de cierto material, se denomina Calor específico. Por ejemplo, el agua bajo ciertas condiciones tiene un calor específico igual a 1 indica que se requiere una caloría para elevar un gramo de agua en un grado Celsius.

 ∙∘, lo que

El calor específico no es constante, sino que varía dependiendo de factores como la presión y temperatura. Sin embargo, para efectos de cálculos PSU, se va a considerar que se mantiene constante en los intervalos dados. Por ejemplo, si hay un ejercicio donde se requiere calcular el calor necesario para elevar en 5 grados la temperatura de un gramo de mercurio, simplemente se entregará un valor promedio o aproximado del calor específico. Se tiene la fórmula:

 ̂  ⋅∆


Esto indica que mientras mayor sea el calor específico, mayor será el calor necesario para provocar variaciones en la temperatura de un cuerpo de cierta masa. Al mismo tiempo, muestra que a mayor masa, “más cuesta” calentar un cuerpo. 1.3. Dilatación

Se denomina dilatación térmica al fenómeno mediante el cual un cuerpo aumenta su longitud área o volumen, como consecuencia de un aumento en su temperatura, sin importar el origen de ésta. A continuación, estudiaremos de manera individual los tres tipos de dilatación térmicos. 1.3.1.Dilatación lineal

La dilatación lineal ocurre cuando un cuerpo varía su longitud como consecuencia de un cambio en su temperatura. Particularmente si aumenta la temperatura aumentará la longitud del cuerpo y si disminuye la temperatura su longitud también lo hará.



Definiremos como la longitud final del cuerpo, como la longitud inicial, como la temperatura final, la temperatura inicial y el coeficiente de dilatación lineal del material, finalmente la variación en la longitud estará dada por la ecuación. La fórmula de dilatación lineal es:

 



  + ⋅ ∙ Δ   ∙ 1+  ∙ ( )

Sabemos que mientras mayor sea la longitud del material, mayor será la dilatación que se genere. Asimismo, la dilatación dependerá en manera directamente proporcional a la variación de temperatura. Un clásico ejemplo es la deformación que sufren los rieles de tren debido al aumento de temperatura en verano.

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Una situación especial ocurre cuando tenemos una barra formada por una aleación de dos distintos metales, en este caso supondremos que exponemos la barra de metal a un aumento de temperatura, luego la longitud de la barra aumentara. Pero surge la pregunta ¿Por qué la barra se tuerce? Lo que ocurre en el ejemplo del dibujo es que el material negro tiene un mayor que el del material blanco, luego como ambos materiales fuero expuestos al mismo cambio de temperatura el material blanco aumentará su longitud en menor medida que el negro.



La longitud final de ambos materiales es distinta a pesar de que la inicial era la misma. Las longitudes de la curva son comparables a lo que ocurre en una pista de atletismo, donde las pistas centrales son de menor longitud que las de los extremos.

1.3.2.Dilatación de área

  ≈2 ∙ 

Definiremos la constante como el coeficiente de variación de área, el cual se aproxima como:





Definiremos como el área final del cuerpo, como el inicial. La relación que muestra como varia el área será:

   + ⋅ ∙ Δ   1+  ∙ ( ) Una pregunta típica de PSU es que ocurre para el caso particular de la dilatación de área para una golilla de metal. ¿Que pasara con su radio interior y con su radio exterior? La respuesta es bastante sencilla, ambos radios aumentaran por lo que el diámetro interior y exterior de esta serán mayores que el inicial.


1.3.3.Dilatación volumétrica



A continuación definiremos la constante de dilatación volumétrica que se aproxima como:

 ≈3 ∙  Finalmente, la variación en el volumen de un cuerpo, que experimenta un cambio en su temperatura quedada dado por:

  + ⋅ ∙ Δ  1+  ∙ ( ) 1.4. Calor como energía

Cuando se transmite calor de un cuerpo a otro, este calor es frecuente que genere un aumento de temperatura del material. El calor cedido o recibido se puede calcular con la siguiente fórmula, que se deriva de la fórmula de calor específico antes vista:

̂

⋅̂ ⋅ Δ Δ

Donde m es la masa, el calor específico y

la variación de la temperatura del cuerpo.

1.4.1.Cambios de fase y calor latente

Sin embargo, se observa que en ciertas ocasiones se entrega calor a un material y la temperatura no varía y por tanto este calor “se está perdiendo”. Esto sucede cuando estamos frente a un cambio de fase, ya que se requiere energía para reacomodar las partículas del material. Estudiaremos los estados más comunes de la materia sólido, líquido y gaseoso. Los cambios de fase corresponden a los distintos pasos de un estado a otro. Resumiremos los cambios de estado en la siguiente tabla.

Llamaremos calor latente a la cantidad de energía necesaria para que una sustancia cambie de fase, si bien sabemos que cuando una sustancia recibe energía calórica esta puede ver aumentada la temperatura cuando ocurre un cambio de estado, la sustancia recibe calor, pero no varía su temperatura puesto que la energía calorífica es usada para el cambio de estado. Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 12visita www.psuparatodos.com

En los cambios de estado una sustancia puede ceder o absorber calor, particularmente sabemos que hay una absorción cuando pasamos a un estado en que la densidad es menor que en el estado anterior. De igual manera cuando pasamos de un estado de baja densidad a uno de mayor densidad del material, la sustancia cede energía en forma de calor. 1.4.2.Roce y Calor

Como se estudió anteriormente en mecánica, el roce es una fuerza no conservativa que se genera por el choque de partículas entre dos superficies, o entre un fluido y un cuerpo que se desplaza dentro de él. Este choque genera un movimiento interior de las partículas que se traduce en un aumento de temperatura, y como se acaba de ver, para que haya aumento de temperatura se requiere calor. Así, hay una relación muy estrecha entre roce y calor, y lo podemos ver por ejemplo cuando nos frotamos en los días de invierno para calentarnos o cómo se genera calor si uno lija una madera. Ecuaciones y fórmulas de este fenómeno están fuera del ámbito PSU, pero pueden aparecer preguntas conceptuales. Experimento propuesto: lije una madera con un trozo de lija fina hasta que ésta aumente su temperatura. Luego mídala o apréciela con la punta de los dedos. Tenga cuidado de no quemarse.

1.4.3.Unidades de medida

Una caloría se define como la energía necesaria para elevar en un grado Celsius un gramo de agua. (De a , a una atmósfera de presión). Pese al amplio uso que tuvo en el pasado, esta unidad de medida se ha relegado para la medición de energía en los alimentos, utilizándose comúnmente la kCal.

14,5 15,5

La unidad de medida en S.I. (sistema internacional) es el Joule que tiene correspondencia de 1 caloría igual a 4,1868 Joule. Análogamente un Joule equivale aproximadamente a 0,239 calorías. 1.4.4.Conservación de la energía

La conservación de la energía calórica es el principio que regula el intercambio de calor de dos cuerpos, esta se puede resumir en la siguiente ecuación:

 +  0


1.5. Resumen


1.6. Ejercitación Actividad 1

Completa la siguiente tabla °C

°F

°K

30 33 50 60 5 Actividad 2

a. Si se compara la escala Celsius de un termómetro con la escala L de otro termómetro, se obtiene un gráfico como el de la figura.

Entonces, para la temperatura de solidificación del agua a la presión de 1 atm, el termómetro graduado en la escala L marca: _____________.


b. Si se compara la escala Fahrenheit de un termómetro con la escala L de otro termómetro, se obtiene un gráfico como el de la figura.

Entonces, para la temperatura de ebullición del agua a la presión de 1 atm, el termómetro graduado en la escala L marca: _____________. Actividad 3

Completa la siguiente tabla utilizando la fórmula de dilatación lineal.

 26

1  3

 − 1010− −− 10− −

∆ 100  1000  ° °

° ° °

Completa la siguiente tabla utilizando la fórmula de capacidad calórica

 100100 // 

∆ 5060 

Capacidad calórica ( ) º º

° °

 4000  5000   ∆ 200100  4050   Cal ( )

Completa la siguiente tabla utilizando la fórmula de calor específico

 0,15// º º

 4000  5000 

º º

60

º


1.7. Ejercicios PSU

20∙ 10−−

1. El coeficiente de dilatación térmica del cobre es . Entonces el incremento de longitud que tiene una barra de cobre de 3 m cuando pasa de estar a 10 ºC en la mañana a estar a 25 ºC en la tarde es. A) B) C) D) E)

0 mm 0,18 mm 0,90 mm 1,08 mm 1,26 mm

∙

2. Conocemos el calor especifico del grafito, que corresponde a 710 J/kg . Tenemos una barra de 2 kg y la calentamos desde los 18 ºC a 48 ºC. El calor absorbido por la barra corresponde a A) B) C) D) E)

14.200 J 25.560 J 42.600 J 53.960 J 65.320 J

3. ME ¿Cuál de las siguientes alternativas reúne factores que inciden en los cambios de estado de la materia? A) B) C) D) E)

Presión, altura y volumen. Volumen, densidad y temperatura. Presión, altura y temperatura. Presión, velocidad y densidad. Presión, masa y temperatura.

4. El calor de fusión del agua a 0 °C y a una presión de 1 atm es 335 kJ/kg. ¿Qué significa el dato anterior? A) La energía necesaria para solidificar 1 kg de hielo es 335 kJ. B) La energía necesaria para derretir 1 kg de hielo es 335 kJ. C) Al solidificarse 1 kg de agua a 0 °C se liberan 335 kJ. D) La energía de 1 kg de hielo es 335 kJ E) Ninguna de las anteriores. 5. La(s) unidad(es) calor, pueden expresarse como: I) II) III) A) B) C) D) E)

Joule Watt Calorías

Solo I Solo II Solo III Solo I y III Solo II y III


6. ¿Bajo qué condiciones dos cuerpos en contacto directo se encuentran en equilibrio térmico? A) B) C) D) E)

Cuando ambos tienen igual cantidad de calor Cuando ambos tienen la misma energía Cuando ambos tienen igual temperatura Cuando ambos tienen igual calor específico. Cuando ambos tienen igual calor latente.

7. 35 °C equivalen a: A) B) C) D) E)

90 °F 95 °F 30 °F 50 °F 35 ° F

8. 50 °C equivalen a: A) B) C) D) E)

122 °F 100 °F 345 °F 500 °F 350 ° F

9. 298 °K equivalen a: A) B) C) D) E)

17 °F 172 °F 37 °F 77 °F 357 ° F

10. La temperatura de un día cualquiera de otoño, en Santiago, fue 20 °C la máxima y 5 °C la mínima. El rango de temperatura en Kelvin y Fahrenheit para ese día fue, respectivamente: A) 27 °F y 15 °K B) 21 °F y 16 °K C) 22 °F y 12 °K D) 27 °F y 12 °K E) Ninguna de las anteriores

10− °−

11. El coeficiente de dilatación lineal de un metal es . Esto significa que cuando la temperatura de una barra de 2 m de largo de este metal suba en 100 °C, su dilatación lineal será: A) B) C) D) E)

2 cm 0.2 m 2m 0.002 m m

10−


10− °−

12. El coeficiente de dilatación lineal de un metal es .. Esto significa que cuando la temperatura de una barra de 3 m de largo de este metal suba en 130 °C, su dilatación lineal será: A) B) C) D) E)

39 cm 39 m 0,39 m 0,0039 m 10-3 m

13. La temperatura de un jugo, registrada con dos termómetros diferentes, registran la misma temperatura, uno en Celsius y otro en Fahrenheit. Esa temperatura registrada en °C corresponde a: A) - 40 B) +20 C) - 24 D) +40 E) – 20 14. Si se tiene una botella con una mezcla líquida desconocido, descartando que es agua a 0 °C y se le aplica calor, esperaríamos que el líquido A) B) C) D) E)

se dilate. se contraiga. mantenga su volumen. se dilate o se contraiga, nunca mantenga su volumen. se contraiga o mantenga su volumen.

15. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones corresponden a la anomalía del agua? A) “Al disminuir la temperatura del líquido de 1 ºC a -4 ºC, su volumen disminuye” B) “Al aumentar la temperatura del líquido de 0 ºC a 4 ºC, su volumen disminuye” C) “Al disminuirla temperatura del líquido de 1 ºC a -4 ºC, su volumen aumenta” D) “Al aumentar la temperatura del líquido de 0 ºC a 10 ºC, su volumen disminuye” E) Ninguna de las anteriores. 16. “Requiere una fuente de calor, un medio material que permita que las partículas se pongan en movimiento para propagar el calor y es una forma de transmisión de calor exclusiva de líquidos y gases (fluidos).” La expresión anterior corresponde a la transmisión de calor por: A) Convección B) Transferencia C) Frotación D) Radiación E) Ninguna de las anteriores.


17. Al calentar un fierro por un extremo, el calor se propaga a través de él por: A) B) C) D) E)

Convección Transferencia Radiación Convección y radiación Conducción

18. Unos novios se encuentran sentados junto a una fogata. El calor que ellos perciben se transmite por: A) B) C) D) E)

Convección Transferencia Convección y Radiación Radiación Conducción

19. Si se llena el estanque de un auto con gasolina es posible que en un día de calor suceda que: A) Se derrame o mantenga la gasolina en el estanque. B) Que se contraiga el volumen de gasolina. C) Que el vehículo marque que no tiene gasolina. D) Que el estanque disminuya su volumen. E) Ninguna de las anteriores.

− −  3 ∙ 10 ° C   10− °C−

20. Una mezcla líquida de se encuentra contenido en un recipiente de metal cuyo . Si el líquido llena completamente el recipiente y el conjunto es sometido a un aumento de temperatura de 30 ºC, es correcto afirmar que: A) El líquido se derrama

B) El líquido no se derrama C) El recipiente se dilata. D) El recipiente no se dilata. E) Ninguna de las anteriores

Alternativas Correctas 1

C

11

C

2

C

12

C

3

C

13

A

4

B

14

A

5

D

15

B

6

C

16

A

7

B

17

E

8

A

18

C

9

D

19

A

10

A

20

B


Capítulo 2: ME Electricidad y magnetismo 1. Electrostática 1.1. Cargas

Para entender el concepto de carga eléctrica es necesario recordar cómo se compone la materia. La materia esta esencialmente compuesta por átomos. Los átomos están compuestos de tres elementos fundamentales: electrones, protones y neutrones. Los protones junto con los neutrones forman el núcleo del átomo y los electrones orbitan este núcleo tal como lo muestra la figura. Los electrones tienen carga eléctrica negativa, los protones carga eléctrica positiva y los neutrones no tiene carga. La unidad de carga eléctrica es el Coulomb y está definido como un número de cargas de electrón.

1  6,25⋅10  De esto podemos deducir que la carga de un electrón en Coulomb es:

  1,6⋅10−  La manera en que estas cargas se relacionan se puede resumir así: 

Cargas del mismo signo se repelen entre sí.



Cargas de signos contrarios se atraen entre sí.


1.2. Métodos carga eléctrica

Se puede cargar un cuerpo eléctrico de cuatro maneras distintas, frotación, contacto, inducción y polarización. 1.2.1. Frotación

Ya en la antigüedad se sabía que al frotar dos cuerpos se generaba un fenómeno especial. Al frotar un trozo de vidrio con un paño de lana, la lana capta electrones del vidrio dejándolo con carga positiva. Por este motivo se denominó más adelante en el siglo XIX como carga vítrea a la carga positiva. Análogamente si frotamos un trozo de ámbar con seda, obtendremos que el ámbar queda cargado de manera negativa. Experimento propuesto: Frote un globo inflado con su cabeza y péguelo al techo. ¿Por qué sucede? discuta.

1.2.2. Contacto

Si tenemos un cuerpo cargado y lo ponemos en contacto con uno con carga neutra, el cuerpo cargado cederá parte de su carga al cuerpo neutro, y se produce una transferencia de carga entre los dos cuerpos hasta que estas se igualan de manera que la suma de las cargas de ambos cuerpos será igual que la carga del cuerpo inicialmente cargado, esto se conoce cómo principio de conservación de carga eléctrica. 1.2.3. Inducción

Supóngase que mantenemos un conductor neutro fijo y conectado a tierra, luego acercamos a este un cuerpo cargado, que llamaremos inductor. Lo que ocurrirá es que los electrones libres pasarán del conductor neutro a la tierra, dejando el conductor cargado, pero solo de manera parcial, si en ese momento cortamos la conexión a tierra los electrones libres dentro del conductor se redistribuirán de manera uniforme obteniendo como resultado que el conductor antes neutro se encuentra ahora cargado.


1.2.4. Polarización

Es sabido que un cuerpo eléctricamente cargado puede atraer a un cuerpo eléctricamente neutro, ¿cómo es esto posible?, Lo que ocurre es que, al acercar el cuerpo eléctricamente cargado al cuerpo neutro, los electrones libres dentro del cuerpo neutro se redistribuyen dentro del material, generando una carga de signo contrario a la del cuerpo cargado en el extremo más próximo de cuerpo previamente neutro. Por lo tanto, el cuerpo cargado inicialmente y el cuerpo polarizado comienzan a atraerse mutuamente.

1.3. Ley de Coulomb

La fuerza eléctrica existente entre dos cargas se puede calcular con la ley de Coulomb. Esta ley relaciona la magnitud de dos cargas eléctricas, la distancia que existe entre ellas con la fuerza que se generara entre ellas.

 

 ⋅ ||⋅||

9⋅10 ⋅ 

Donde es la constante de Coulomb cuyo valor es una fuerza su unidad de medida corresponde a Newton.

. No podemos olvidar que al ser

Ejercicio propuesto en clases: discuta como se aplica la Tercera Ley de Newton en este caso.

1.4. Campo eléctrico

Si colocamos una carga eléctrica de prueba positiva q, en un punto en el espacio y esta experimenta una fuerza , sabremos que en ese punto existe un campo eléctrico y lo podemos definir como:





⃗  

El campo eléctrico es un vector puesto que representa la dirección, el sentido y la magnitud de la fuerza que experimentara dicha carga.


El campo eléctrico que forma una carga puntual en el espacio tiene dirección radial, apuntará hacia afuera si la carga es positiva y hacia adentro si la carga es negativa.

La magnitud o modulo del campo eléctrico en este caso es:

 ||





Donde es la constante de proporcionalidad ya definida, es la distancia entre el punto donde está la carga y el punto donde se quiere calcular el campo y es la carga del campo. Ejemplo: Discuta sobre las líneas de campo eléctrico formado por dos cargas contrarias

1.5. Potencial eléctrico y tensión eléctrica. 1.5.1. Trabajo eléctrico

Supongamos que tenemos una carga eléctrica positiva y puntual fija en el espacio, esta carga genera un campo eléctrico constante , y sabemos que cualquier carga de prueba positiva experimentará una fuerza dada por:

⃗

 ⋅ ⃗



Luego supondremos que liberamos la carga eléctrica , ésta experimentará una aceleración debido a la fuerza y se desplazará. Llamaremos a este desplazamiento . Con lo anterior podemos definir el trabajo eléctrico realizado como.

  ⋅  ⋅⋅∝




Ahora, la partícula se desplazará justo en forma paralela a la dirección del campo, por tanto, el ángulo entre ellos es cero y el coseno será 1. Queda:

 ⋅⋅ Ahora, se define potencial eléctrico o tensión eléctrica al trabajo necesario para traer una partícula desde el infinito hasta una distancia d de la carga de prueba. Notemos que este valor es difícil de calcular puesto que el campo eléctrico irá variando conforme nos acercamos a la carga generadora y por tanto el cálculo requiere herramientas matemáticas más avanzadas. Sin embargo, nos interesará determinar el trabajo que se realiza al desplazar una carga en una sección con longitud pequeña, y por tanto podemos asumir que en ese tramo el campo eléctrico es uniforme. A esto lo llamamos diferencia de potencial eléctrico. 1.5.2. Diferencia de Potencial

  △    ⃗ ⋅   △        ⋅△

Si asumimos que para dos puntos cualesquiera y existe un campo eléctrico constante, podemos decir que entre estos puntos existe una diferencia de potencial definida como:

  

Siendo Potencial eléctrico en y respectivamente. De lo anterior se puede deducir dos nuevas fórmulas:

1.6. Energía potencial eléctrica

Se conoce a la energía potencial eléctrica de una carga q como:

  ∙ 

Donde la carga lleva el signo correspondiente a su tipo de carga.


1.7. Resumen


1.8. Ejercitación Ejercicio resuelto 1

Dos esferas conductoras, cargadas y de igual radio, se apoyan en soportes no conductores. Sus cargas respectivas son – 4 µC y +2 µC. Si ambas esferas se ponen en contacto y luego son separadas, entonces las cargas respectivas de cada esfera son: Los potenciales eléctricos alcanzan el equilibrio igualándose al poner en contacto las dos esferas. Las esferas tienen un potencial eléctrico de potencial eléctrico de , siendo su radio y la carga que posee.



   lo que significa que    + –4 C +2 C 2 C De la igualdad   deducimos que    1 C, para que la 2 C.





Igualando:

µ

µ

µ

µ

suma de ambas sea

µ

Ejercicio propuesto 1

Dos esferas conductoras, cargadas y de igual radio, se apoyan en soportes no conductores. Sus cargas respectivas son – 9 µC y +3 µC. Si ambas esferas se ponen en contacto y luego son separadas, entonces las cargas respectivas de cada esfera son: Ejercicio resuelto 2

   15 ,   5     3 

Calcula la fuerza sobre la carga . Datos: µ µ

µ

F  k∙qr∙q  9∙10 ∙15∙105 − ∙3∙10− 0,016 N F  k∙qr∙q  9∙10 ∙3∙103− ∙5∙10− 0,015 N   + 0,031  Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 27visita www.psuparatodos.com


   8 ,   4     10 

Calcula la fuerza sobre la carga . Datos: µ µ

µ

Completa:

F  k∙qr∙q  F  k∙qr∙q      Actividad 1

Señala si las afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifica. 1. Las fuerzas de interacción eléctrica que ejercen entre sí dos cargas puntuales son de igual módulo, tienen la misma dirección y son de sentido contrario. Justificación:

2. A una esfera metálica neutra y aislada se le acerca desde la derecha, sin tocarla, una barra cargada negativamente y luego se conecta a tierra el lado izquierdo de la esfera. Al eliminar la conexión a tierra y después alejar la barra, esta queda cargada positivamente. Justificación:

3. El átomo de magnesio tiene 12 electrones, cada uno de los cuales tiene una carga negativa de magnitud ; y 12 protones, cada uno de los cuales tiene una carga positiva de magnitud C. Al ionizarse, dicho

1,6⋅10– C 1,6⋅10– +2⋅1, 6 ⋅10– C

átomo “pierde” dos electrones. De acuerdo con esta información la carga

eléctrica total (neta) del ion de magnesio es Justificación:

.


4. Dos cuerpos, inicialmente en estado neutro, se cargan eléctricamente frotándolos uno contra en otro. Uno de los cuerpos pierde electrones. Justificación:

5. Para el método de contacto y de inducción es necesario que al menos un cuerpo este eléctricamente cargado en forma previa. Justificación:



6. Dos cuerpos, 1 y 2, se encuentran separados por una distancia . El cuerpo 1 tiene carga y masa . A su vez el cuerpo 2 tiene carga y masa . Considerando que los cuerpos se repelen. La aceleración del cuerpo 2 es la mitad que la del cuerpo 1.

2



2

Justificación:

1.9. Ejercicios PSU

1. ME Se tienen 3 cargas eléctricas, A, B y C. Se sabe que A repele a B mientras B atrae a C. Con esta información, ¿Cuál(es) de la(s) siguiente(s) opciones puede(n) ser una(s) configuración(es) válida(s)? I) II) III) A) B) C) D) E)

A es positiva, mientras B y C son negativas. A y B son positivas y C negativa. A y B son positivas y C neutra.

Solo I Solo II Solo III Solo II y III I, II y III

2. ME Se frota vidrio con seda. Con respecto a la situación descrita, ¿Cuál(es) de la(s) siguiente(s) opciones es(son) siempre correcta(s)? I) II) III)

El vidrio pierde electrones. El vidrio queda cargado positivamente. El vidrio quedara imantado.

A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) Solo II y III Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 29visita www.psuparatodos.com

 2 3



3. ME Dos cargas eléctricas de valores y está separadas por una distancia y existe una fuerza de atracción entre ellas. Si se separan a ¿Cuál es el valor de la nueva fuerza? A) B) C) D) E)

 /9/3 3 9

4. ME Las fuerzas de interacción eléctrica entre dos cargas puntuales positivas es: I) II) III) A) B) C) D) E)

De mayor magnitud al acercarse. De sentido contrario. De la misma dirección.


5. ME Dos cuerpos pequeños cargados R y S se encuentran en el espacio como se ve en la figura:

 2 ⃗ 2⃗

Si es la fuerza eléctrica que ejerce R sobre S, ¿cuál es la fuerza que ejerce S sobre R? A) B) C) D) E) N.A. 6. ME Se tiene un objeto eléctrico conectado a tierra y se le acerca otro cuerpo con una carga de signo desconocido. Luego de desconectar el primer cuerpo de la tierra, observamos que éste tiene una carga negativa. El signo de la carga del cuerpo desconocido era A) positivo. B) negativo. C) neutro. D) positivo o negativo, nunca neutro. E) neutro o negativo, nunca positivo.


7. ME Respecto a la pregunta anterior cual fue el método de carga A) Inducción B) Conducción C) Radiación D) Contacto E) Ninguna de las anteriores. 8. ME En la electrización por contacto ambos cuerpos quedan con cargas: A) De distinto signo. B) Con igual signo. C) Sin carga. D) Un cuerpo con carga y otro neutro. E) Ninguna de las anteriores. 9. ME Un cuerpo posee un número total de electrones mayor que el número total de protones. Afirmamos que el cuerpo está A) B) C) D) E)

Eléctricamente neutro. Electrizado negativamente. Electrizado positivamente. Electrizado positiva o negativamente, nunca neutro. Electrizado positivamente o eléctricamente neutro, dependiendo del valor de la carga del protón y del electrón.

10. ME Los cuerpos se electrizan al: A) B) C) D) E)

Al recibir electrones. Al ceder electrones. Al ceder protones. Al recibir o ceder electrones. Al recibir o ceder protones.

11. ME El único método de electrización que no requiere que un cuerpo esté eléctricamente cargado en forma previa es: A) B) C) D) E)

Contacto Radiación Frotación. Inducción. Todas son correctas.

12. ME Si el péndulo eléctrico neutro es atraído por el cuerpo que se acerca, significa que el cuerpo está: A) Electrizado negativamente. B) Electrizado positivamente. C) Neutro. D) Solamente electrizado. E) Ninguna de las anteriores. Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 31visita www.psuparatodos.com

13. ME Cuando se frotan dos cuerpos sólidos hechos de una misma sustancia estos quedan: A) Electrizados B) No electrizados. C) Negativos. D) De distinto signo E) Ninguna de las anteriores. 14. ME Un cuerpo electrizado positivamente se acerca a un electroscopio. Se puede afirmar que A) Las hojas del electroscopio se juntan. B) Las hojas del electroscopio se separan. C) Las hojas del electroscopio quedan en la misma posición. D) Una de las hojas se mueve y la otra queda en el mismo lugar. E) Ninguna de las anteriores. 15. ME Si un metal electrizado positivamente atrae a otro, se concluye que este último puede estar cargado: I) Negativamente. II) Neutro. III) Positivamente. A) B) C) D) E)

Solo I Solo II Solo III Solo I y II Todas son correctas.

16. ME Un cuerpo está cargado positivamente cuando tiene A) Déficit de electrones. B) Exceso de neutrones. C) Exceso de protones. D) Exceso de electrones. E) Ninguna de las anteriores. 17. ME Al frotar un cuerpo neutro con otro, una parte de los electrones de la superficie se transfiere al otro cuerpo. Ambos cuerpos quedan: A) Electrizados con cargas de igual signo. B) Electrizados con cargas de distinto signo. C) No quedan electrizados. D) Ambos quedan electrizados positivamente. E) Ambos quedan electrizados negativamente.


18. ME Al poner en contacto dos cuerpos, uno neutro y otro cargado positivamente, se espera que: A) B) C) D) E)

Ambos quedan cargados positivamente. Un cuerpo queda negativo y el otro positivo. Ambos quedan cargados negativamente. Ambos quedan neutros. Quedan igualmente electrizados.

19. ME Al acercar dos esferas cargadas negativamente se puede afirmar que éstas se: A) Atraen B) Repelen C) Mueven juntas. D) Neutralizan E) Cargan. 20. ME Al poner en contacto un cuerpo neutro con otro electrizado, se produce transferencia de: A) Protones B) Neutrones C) Electrones y Neutrones D) Electrones E) Protones y Neutrones


D

11

C

2

D

12

D

3

A

13

B

4

E

14

B

5

B

15

D

6

A

16

A

7

A

17

B

8

B

18

A

9

B

19

B

10

D

20

D


2. Corriente eléctrica 2.1 Aislantes y Conductores

En la naturaleza existen muchos tipos de materiales, todos con diferentes características, en particular estudiaremos la capacidad de aceptar o ceder electrones, y según esto se pueden clasificar en dos tipos. 2.1.1. Aislantes o Dieléctricos:

Este tipo de materiales es capaz de aceptar o ceder electrones, pero presenta gran dificultad al flujo de estos electrones dentro del material ya que sus electrones se encuentran fuertemente ligados a su núcleo. Un aislante si puede ser cargado eléctricamente, pero las cargas no se pueden distribuir homogéneamente sobre la superficie, quedando restringidas a un área específica. Adicionalmente un aislante ideal no permite el paso de la corriente a través de él. En la naturaleza no existen aislantes perfectos, pero existe cierto grupo de materiales como el vidrio, la goma, el plástico, la madera y el papel, que se pueden considerar un buen aislante eléctrico. 2.1.2. Conductores

En este tipo de materiales los átomos permiten que se le quite o agregue electrones, esto se debe a que al menos uno de los electrones del átomo está ligado al núcleo débilmente, y de esta manera los electrones se desplazan dentro del material. Se habla de buenos o malos conductores, según la libertad con que los electrones se trasladan por el material, cuando es con mucha libertad es un buen conductor, cuando es poca libertad es un mal conductor. A continuación, se puede observar una tabla con la conductividad eléctrica de distintos materiales y su clasificación según ésta. Metal / conductores Plata Cobre Cobre Recocido Oro Aluminio Wolframio Hierro

−  6,5,9360 ×× 1010 5,4,8505 ×× 1010 3,1,7882 ×× 1010 1,53 × 10

Conductividad Eléctrica (

)


Aislantes Vidrio Lucita Mica Teflón Cuarzo Parafina

−  10<−10a 10−− 10<−10a 10−− 1,3,3337×10 ×10−− −  2,2,280×10 0×10− 1,60×10− −  5 0,5,0005a0, 0 5 − 5×10


Semiconductores Carbono Germanio Silicio Líquidos Agua de mar Agua potable gua des ionizada

)



)

)

Ejercicio propuesto en clases: ¿Es el agua un buen conductor? Discuta.

2.2. Corriente continua

La corriente eléctrica es el flujo de electrones libres en un conductor, producto de una diferencia de potencial eléctrico entre sus extremos, fluyendo hacia zonas de menor potencial. Una analogía clásica es el agua fluyendo por una tubería que presenta una diferencia de potencial gravitatorio, lo que hace que el agua salga por el extremo más bajo. La corriente eléctrica se mide según la carga total que pasa por un conductor en un determinado tiempo. La unidad de medida es el Amper (A)

 Δ 2.3. Resistividad

Las moléculas que componen el conductor obstruyen y bloquean el paso de los electrones libres que quieren fluir. Dependiendo del material, puede oponerse más o menos al flujo. Los que se oponen más entran en el grupo de los aislantes, y los que se oponen menos, se llaman conductores. La tabla siguiente muestra la resistividad de algunos conductores.


Material

Resistividad (en 20 °C-25 °C) (Ω·m)

− 1,1,575×10 − 1×10 − 2,2,385×10 − 2×10 − 5,6,645×10 − 0×10 − 9,10,761×10 − 0×10 − 11,72,500×10 − 0×10 60,00×10−

Plata Cobre Oro Aluminio Wolframio Níquel Hierro Platino Estaño Acero inoxidable Grafito

Según la forma de un conductor podemos definir su resistencia, supondremos un conductor de sección constante de longitud y resistividad del material . Para este caso se define la resistencia como.



 ρ ∙L

 

2.4. Conductividad

La conductividad se define como la capacidad de ciertos materiales para transferir electrones, es decir que dejan pasar una corriente eléctrica por ellos. Además, definiremos la conductividad ( ) como el inverso de la constante de resistividad.

Que es equivalente a decir:

σ 1ρ



 σ L∙


3. Componentes de un circuito eléctrico RC 3.1. Resistencia

Es una unidad básica dentro de un circuito eléctrico, que representa el impedimento que genera un conductor al paso de la corriente. Cuando conectamos una resistencia a un circuito se genera una disipación de energía, esta disipación puede ser en forma de luz y/o calor. Un ejemplo de resistencia es una plancha, que producto de la resistencia al paso de la corriente genera calor y consume energía.

3.1.1.

Resistencia en serie

Las resistencias de un circuito pueden ser conectadas de múltiples maneras. Una forma típica es conectarlas en serie que consiste en conectar dos o más resistencias de manera consecutiva como lo muestra la figura. El comportamiento de estas resistencias en el circuito corresponde a tener una sola resistencia, la que llamaremos resistencia equivalente, esta corresponde a la suma de las resistencias conectadas en serie.

  + Más en general, si tenemos n resistencias en serie, tenemos:

  ∑  =


3.1.2.

Resistencia en paralelo

La segunda manera de conectar las resistencias es un circuito en paralelo, este tipo de conexión corresponde a cuando tenemos dos o más resistencias cuyas terminales se conectan a un extremo en común, tal como se aprecia en la figura.

Al igual que en los circuitos conectados en serie, resulta muy importante saber cómo se comportan las resistencias al estar conectadas de esta manera. Definiremos una resistencia equivalente, donde el inverso multiplicativo de ésta es equivalente a la suma de los inversos multiplicativos de las resistencias conectadas en paralelo:

1 1 1  +    Análogamente al caso de resistencias en serie, tenemos que la resistencia equivalente de n resistencias dispuestas en paralelo es:

1 1  ∑=  3.1.3.

Reglas de Kirchhoff

Las reglas de Kirchhoff permiten analizar circuitos altamente complejos, ellas se basan en los principios de conservación de carga. 

Regla de la unión o del nodo: Esta regla indica que la corriente eléctrica mantiene una consistencia al dividirse el circuito, de manera que la suma de las corrientes formadas equivale al valor de la corriente original.

   + 




Regla del lazo o de la malla: Esta regla indica que podemos tomar cualquier sección (lazo) de un circuito y aplicar la Ley de Ohm en él. Como consecuencia, se obtiene que las resistencias van “gastando” potenciales.

3.2. Capacitor 3.2.1.

¿Qué es un capacitor?

Un capacitor o condensador es un dispositivo eléctrico capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Los capacitores se forman habitualmente con dos placas conductoras separadas por un material aislante. El capacitor más común es en el que las placas están separadas de manera paralela por una distancia .



Cuando cargamos un capacitor, logramos que una placa tenga una carga mientras la otra placa tendrá una carga . Estas cargas no pueden fluir desde una placa a otra ya que existe un material aislante entre ellas. Si bien la carga neta del capacitor es cero, diremos que el capacitor tiene una carga .

 +



3.2.2.

Capacidad de un condensador:

Supondremos que tenemos un capacitor conectado a una diferencia de potencial como lo muestra la figura anterior, la placas comenzaran a captar carga eléctrica hasta llegar a una carga + Q y – Q respectivamente, luego el condensador estará cargado con una carga Q; además sabemos que entre las placas existe una diferencia de potencial ∆V. Definiremos la capacidad del ca pacitor C cómo.

 ∆


3.2.3.

Carga y descarga de un capacitor

Si conectamos un capacitor a un circuito, la corriente eléctrica genera carga entre las placas; una vez que el condensador se encuentra totalmente cargados, es decir, llega a su capacidad máxima, la corriente deja de circular por el circuito. Luego si se toma el capacitor cargado y se conecta a una resistencia éste iniciara un proceso de descarga, en que las cargas fluirán de una placa a otra. Con la diferencia de que la corriente circulara en sentido opuesto al que se usó para la carga del capacitor. A continuación, se muestran los gráficos de carga y descarga de un capacitor.

3.2.4.

Capacitor en un circuito

Podemos conectar un capacitor en un circuito, la figura adjunta muestra la representación grafica estándar de un capacitor. Se observa que tenemos un capacitor de capacidad C conectado a una diferencia de potencial V.

3.2.5.

Capacitor en serie

Al igual que con las resistencias, cuando tenemos dos o más capacitores estos pueden ser conectados de dos maneras distintas, la primera forma es conectarlos en serie como lo muestra la figura.


Para un circuito con capacitores conectados en serie será necesario saber, cual es la capacidad del capacitor para el circuito equivalente. Y definiremos el inverso multiplicativo de la capacidad equivalente como las sumatoria de los inversos multiplicativos de las capacidades de los capacitores conectados en serie.

1 1 1  +   

Esta fórmula se extiende fácilmente si se agregan más capacitores en serie:

1 1  ∑=  3.2.6.

Capacitor en paralelo

Otra forma de conectar dos o más capacitores es en paralelo, en esta disposición las conexiones de los capacitores tienen un nodo común, tal como lo muestra el diagrama.

Necesitamos saber cómo se comporta el circuito con los capacitores conectados de esta forma, definiremos la capacidad equivalente como la sumatoria de los condensadores en paralelo.

  + Esta fórmula se extiende fácilmente si se agregan más capacitores en paralelo:

  ∑ =  Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 41visita www.psuparatodos.com

3.3. Ley de Ohm

El físico alemán George Ohm (1789-1854), definió en el año 1827, la relación que existe entre la diferencia de potencial o voltaje, la intensidad de corriente que circula por el circuito y la resistencia total del circuito. Esta relación dice que la diferencia de potencia V es igual al producto de la resistencia R y la intensidad de corriente I.

∙ 3.4. Voltímetro

Un voltímetro es un instrumento que se utiliza para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. éste siempre se instala en paralelo con el circuito ubicando los puntos de contacto exactamente en las diferencias de potencial que se quieren medir. Un voltímetro ideal tendrá infinita resistencia de manera que no pasará corriente por él ya que, si circulara, desviaría corriente del circuito original y por tanto terminaría afectando la medición. Si queremos medir la diferencia de potencial entre dos resistencias ubicadas en serie cómo la figura, podemos apreciar que la diferencia total es exactamente igual a la suma de las diferencias parciales generadas entre cada una de las resistencias. Se dice qu e cada resistencia “consume” un poco de potencial, de acuerdo a la Ley de Ohm aplicada en ella. Si, por otro lado, queremos ver la diferencia de potencial en dos resistencias paralelas, nos daremos cuenta que esta diferencia es exactamente la misma en ambas. Esto sucede porque prácticamente podemos considerar que cada una está unida por un cable “independiente” a la f.e.m. (fuerza electro motriz) , este resultado es relevante para los cálculos que se quieran hacer dentro de un circuito ya que siempre que hayan resistencias en paralelo la diferencia de potencial de cada una de ellas es la misma.


3.5. Amperímetro 3.5.1.

Definición de amperímetro

El amperímetro es el instrumento usado para medir la intensidad de corriente que está circulando en un circuito eléctrico. Para efectuar la medición es necesario que circule corriente por el amperímetro, es por esto que el amperímetro debe ser conectado en serie como lo muestra la figura siguiente. El amperímetro ideal tendrá resistencia igual a cero, por lo que la corriente circulará libremente por él, entregando una medición exacta. 3.5.2.

Amperímetro en serie

Para un circuito eléctrico conectado en serie es necesario saber que la intensidad de corriente es constante en todo el circuito, esto se debe a que existe una integridad de flujo. El amperímetro nos entregara la intensidad de corriente del circuito.



3.5.3.

Amperímetro en paralelo

Para un circuito eléctrico conectado en paralelo tendremos una variación en la corriente, pero la diferencia de potencial será constante. Luego sabemos que el amperímetro marcara mayor intensidad de corriente que el amperímetro , debido a que en el nodo siguiente al amperímetro existe una división de corrientes, es una situación similar a la del caudal de un rio que se separa en dos brazos y luego se vuelve a conectar. La intensidad de corriente que pasa por una resistencia, será inversamente proporcional al valor de las resistencias.

 1  2 1

3.6. Potencia eléctrica

La potencia eléctrica es la relación entre la cantidad de energía eléctrica entregada por un dispositivo en un tiempo determinado. Sabemos que la energía se mide en joule y el tiempo en segundos, luego podemos deducir que la potencia se mide en , a esta unida la llamaremos Watt.

J/s

 ∆

Otra forma de definir potencia es como, el producto entre la diferencia de potencial entre los extremos de un dispositivo y la corriente que pasa por el dispositivo .

  ∙




Para el caso de una resistencia podemos decir que, la potencia indica qué tan rápido la energía eléctrica se transforma o disipa. El caso más común es cuando la energía eléctrica se transforma en energía calórica, así ocurre en una plancha, luego la velocidad con que esto ocurre es lo que llamamos potencia. Ahora si queremos encontrar la potencia disipada por una resistencia aplicamos la ley de Ohm.

 

Luego reemplazamos I en la ecuación definición de potencial obteniendo.

    Ejercicio propuesto en clases: discuta sobre los utensilios domésticos y su potencia.

3.7. Energía eléctrica

Ya sea para el caso de las resistencias eléctricas o para las fuentes eléctricas podemos calcular la energía eléctrica consumida o disipada por un dispositivo si conocemos su potencia. Definiremos como la energía eléctrica como el producto entre la potencia y el intervalo de tiempo ∆t en que deseamos medir el consumo de energía.





3.8. Ley de Joule

 ∙ ∆ 

La Ley de Joule nos permite calcular la energía disipada en forma de calor ( ) para un circuito donde circula corriente y que tiene resistencia en un tiempo .



Si aplicamos la Ley de Ohm:

   ∙∙  ∙

Una aplicación clásica de este fenómeno, son los cables de alta tensión, que transmiten la corriente a tensiones de 200.000 V o más para reducir el efecto de la Ley de Joule en la disipación de la energía mediante calor.


3.9. Resumen


3.10. Ejercitación Ejercicio resuelto 1

Determine la resistencia de los dos filamentos si ambos está n rotulados con “120 V” y su resistencia equivalente, cuando los interruptores S1 y S2 están cerrados.

       ↔     144    240 1  1 + 1  1441 + 2401  34560 384   34560 384 90 Ω

y

Ω

Ω


Un foco marcado “100 W – 120 V” se atornill ó en una portalámpara, al extremo de un largo cable de extensión en el cual cada uno de los dos conductores tiene una resistencia de 1 Ω. El otro

extremo del cable de extensión está conectado a un tomacorriente de 120 V. Determine la resistencia total.


Ejercicio resuelto 2

Por una resistencia R 1 conectada a una diferencia de potencial de 10 V pasa una corriente de intensidad 2 A. Por una segunda resistencia, R 2, conectada a una diferencia de potencial de 24 V, pasa una corriente de intensidad 8 A. ¿Cuál es el valor de la diferencia R 1-R 2 ?

  12242 6  8 33  

Ω Ω Ω


Por una resistencia R 1 conectada a una diferencia de potencial de 120 V pasa una corriente de intensidad 40 A. Por una segunda resistencia, R 2, conectada a una diferencia de potencial de 240 V, pasa una corriente de intensidad 60 A. ¿Cuál es el valor de la diferencia R 1-R 2 ? Ejercicio resuelto 3

Si en un circuito compuesto por una fuente de voltaje variable y una resistencia variable, se triplica el voltaje de la fuente y se disminuye a la mitad la resistencia, entonces la intensidad de corriente ¿Por cuál valor se debe multiplicar?

∙ ̀ 3∙ 2 ∙̀ 6∙∙ ̀ 6∙∙∙ 6∙̀

Se debe multiplicar por seis la intensidad de corriente. Ejercicio propuesto 3

Si en un circuito compuesto por una fuente de voltaje variable y una resistencia variable, se duplica el voltaje de la fuente y se duplica la resistencia, entonces ¿Qué sucede con la intensidad de corriente? Ejercicio resuelto 4

Si una batería tiene un voltaje de 80 V, una resistencia interna de resistencias en serie cuyos valores son Ω y Ω. Calcular: a) La resistencia total del circuito.

8 10  8+10+220    2080 40 

2

Ω y se conecta a dos

Ω

b) La intensidad de la corriente que circula por el circuito.


c) La caída de tensión en cada una de las resistencias.

∙ ∙40∙10400 40∙8320   ∙ 40∙280  Ejercicio propuesto 4

Si una batería tiene un voltaje de 50 V, una resistencia interna de resistencias en serie cuyos valores son Ω y Ω. Calcular:

10 15

5

Ω y se conecta a dos

a) La resistencia total del circuito. b) La intensidad de la corriente que circula por el circuito. c) La caída de tensión en cada una de las resistencias. 3.11. Ejercicios PSU

15 Ω 210 Ω 15 

1. ME Con respecto al circuito de la figura, con ¿Cuál(es) de las siguientes opciones es(son) correcta(s)?

I) II) III) A) B) C) D) E)

y

, y

.

La diferencia de potencial entre los extremos de R1 y Entre los extremos de R2 es la misma. La intensidad de corriente en todo el circuito es 1A. La resistencia equivalente es 15 Ohm.



2. ME Con respecto al circuito mostrado en la figura, con R1=5 Ohm y R2=10 Ohm, y V=15Volts. ¿Cuál(es) de las siguientes opciones es(son) correcta(s)?

I. La diferencia de potencial entre los extremos de R1 y Entre los extremos de R2 es la misma. II. La intensidad de corriente en todo el circuito es 1A. III. La resistencia equivalente es 15 Ohm. A) B) C) D) E)


3. ME Con respecto al circuito mostrado en la figura, con resistencias iguales a 1 Ohm, y diferencia de potencial de12Volts. ¿Qué valor marca el amperímetro A de la figura?

A) B) C) D) E)

1A 1,2 A 6A 10 A 12 A


1Ω

4. ME Con respecto al circuito mostrado en la figura, con resistencias iguales a , y diferencia de potencial de12 V. ¿Qué valor marca el amperímetro A1 y A2 de la figura respectivamente?

A) B) C) D) E)

6 A ambas 12 A ambas 12 A y 24 A 24 A y 12 A 24 A ambas

Ω

5. ME Un conductor eléctrico cilíndrico tiene una resistencia de 1 . Si el radio aumenta al doble y el largo disminuye a la mitad. ¿Cuál es el nuevo valor de la resistencia? A) B) C) D) E)

ΩΩ ΩΩ Ω

1/8 ¼ ½ 1 2

6. ME Con respecto a un circuito con dos resistencias en paralelo, es posible afirmar que: I) II) III) A) B) C) D) E)

La diferencia de potencial entre los extremos de cada resistencia es la misma. La intensidad de corriente que pasa por cada una es directamente proporcional a la resistencia. La resistencia equivalente es la suma de ambas resistencias.

Solo I Solo I y II Solo I y III Solo II y III I, II y III




7. ME Una carga puntual positiva se trae desde el infinito hasta una distancia de una carga positiva . Con respecto al trabajo realizado por la fuerza de repulsión, se puede afirmar siempre que:



A) La unidad de medida es Joule. B) Es equivalente a la potencia eléctrica. C) Es equivalente en magnitud a la diferencia de potencial eléctrico. D) Es equivalente en magnitud a la corriente eléctrica. E) N.A. 8. ME Por una plancha que tiene una resistencia de 10 ¿Cuál es la potencia de la plancha? A) B) C) D) E)

Ω

, circula una corriente de 2 A.

10 W 20 W 30 W 40 W 50 W

9. ME ¿Qué magnitud física se expresa en ampère? A) B) C) D) E)

Potencia Eléctrica Energía Eléctrica Intensidad de corriente eléctrica Potencial eléctrico Resistencia eléctrica





10. ME En el circuito siguiente = 6 Ω, la diferencia de potencial entre los extremos de es 12 V. Si el galvanómetro G entrega una lectura de 3 A, entonces la resistencia externa del circuito, en Ω:

A) B) C) D) E)

12 4 3 -3



11. ME La función principal que tiene un fusible en un artefacto eléctrico es: A) B) C) D) E)

Impedir que el artefacto se caliente. Impedir una baja de voltaje en el aparato. Convertir la corriente alterna en continua. Impedir una corriente eléctrica excesiva que pueda dañar el artefacto. Impedir que el artefacto consuma más energía de la que requiere.


12. ME La siguiente figura representa un circuito eléctrico formado por una fuerza electromotriz, generando una diferencia de potencial eléctrico constante, pasando por cuatro resistencias y . Sobre la forma en que están conectadas, ¿cuál(es) de las siguientes alternativas es o son correctas?: I) II) III) A) B) C) D) E)

,,      y y y

están conectadas en serie. están conectadas en paralelo. están conectadas en paralelo.

Solo I Solo II Solo III Solo I y III I, II y III.

  

13. ME Se muestra en a figura dos resistencias y . Si los valores de estas correspondes a 8 y 6 Ω respectivamente, y la intensidad de corriente en es de 2 A, entonces el entre P y Q es:

A) B) C) D) E)

∆

28 V 16 V 12 V 4V 2V

14. ME Una persona encuentra que su calefactor eléctrico no calienta lo suficiente, siendo el voltaje constante en este, que se debe hacer para arreglar el problema eléctrico: I) II) III) A) B) C) D) E)

Aumentar la corriente que pasa por el calefactor. Aumentar la resistencia. Disminuir la resistencia.

Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo I y III


15. ME La figura muestra un notebook, conectado a una batería a la que se le aplica un voltaje VAB = 12 V, la cual le proporciona una corriente i = 5 A. El notebook posee una resistencia interna R = 2,4 Ω. Determine la potencia total suministrada al notebook. A) B) C) D) E)

80 W 60 W 40 W 20 W 10 W

16. ME La figura representa un circuito que incluye tres amperímetros que miden la corriente , e , dos resistencias de diferente magnitud y una batería. Se puede afirmar que la intensidad de corriente es de

  

A) B) C) D) E)

  +  



17. ME Por una resistencia de 8 Ω pasan 600 C en 2 min. ¿Cuál es la dif erencia de potencial en los extremos de la resistencia? A) B) C) D) E)

40 V 2400 V 150 V 300 V 400 V


18. ME Si se tienen dos fuentes de 25 V y 5 V conectadas en serie, por el circuito circula una corriente de 2.5 A, como se muestra en la figura:

El valor de la resistencia que se encuentra en el circuito es A) B) C) D) E)

7Ω 3Ω 80 Ω 8Ω 4Ω

19. ME ¿Cuál es la resistencia equivalente del circuito de la figura?

A) B) C) D) E)

12/11 Ω 11/24 Ω 12 Ω 24/11 Ω 48 Ω

20. ME Una sustancia es menos conductora, cuanto mayor sea su: I) II) III) A) B) C) D) E)

Resistividad. Longitud. Sección transversal.



21. ME Entre los extremos de una resistencia de 1 Ω, existe una diferencia de potencial de 20V cuando A) La corriente que circula por la resistencia es de 1 A. B) La corriente que circula por la resistencia es de 20 A. C) Uno de los extremos de la resistencia tiene un potencial diez veces mayor que el otro extremo. D) El potencial en uno de los extremos de la resistencia es de 20 V. E) El potencial en ambos extremos de la resistencia es de 20 V.



22. ME Un alambre de cobre tiene una resistencia . Otro alambre de cobre, de igual longitud y forma, pero con el triple de diámetro. ¿Cuál será su resistencia del segundo alambre con respecto al primero? A) B) C) D) E)

Será su novena parte. Será su quinta parte. Será su tercera parte. Será su décima parte. Será su octava parte.

23. ME Si en un conductor se duplica el área y la longitud, su resistencia se: A) B) C) D) E)

Se cuadriplica Se duplica Se mantiene Se triplica Se quintuplica


24. ME En un departamento cuya instalación eléctrica es de 120 V, solo está encendida una ampolleta de resistencia 120 Ω. La intensidad de corriente que pasa por este elemento es A) 1 A B) 1,5 A C) 2 A D) 2,5 A E) 5 A 25. ME ¿Cuál es la resistencia equivalente del circuito de la figura?

A) B) C) D) E)

9Ω 60/137 Ω 15 Ω 11/6 Ω 137/60 Ω

26. ME “La relación de un paso de energía de un flujo por unidad de tiempo ”; lo anterior corresponde al concepto de: A) B) C) D) E)

Potencia Electrones Voltaje Ley de ohm Ninguna de las anteriores

27. ME Una persona encuentra que su calefactor eléctrico no calienta lo suficiente, siendo el voltaje constante en este, que se debe hacer para arreglar el problema eléctrico: I) Aumentar la corriente que pasa por el calefactor. II) Aumentar la resistencia. III) Disminuir la resistencia. A) B) C) D) E)



28. ME Por una ampolleta que tiene una resistencia eléctrica de 4 k Ω pasa por una corriente de 2 A, en estas condiciones, la potencia eléctrica que se está entregando a la ampolleta es de A) B) C) D) E)

8W 32W 24W 0,16 W 16W

29. ME Una juguera se conecta a una fuente eléctrica que le aplica una tensión de 120 V. Si se sabe que durante su funcionamiento por la juguera circula una corriente de 2,5 A y funciona durante 10 min, ¿Qué cantidad de energía se desarrollará en ella? A) B) C) D) E)

18.000 J 1.800 J 180.000 J 36.000 J 360.000 J

30. ME “Es un dispositivo eléctrico capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico” Lo anterior se refiere a:

A) La resistencia B) El transformador C) El capacitor D) El termostato E) Ninguna de las anteriores.


D

11

D

21

B

2

A

12

C

22

A

3

C

13

C

23

C

4

D

14

E

24

A

5

A

15

B

25

B

6

A

16

D

26

A

7

C

17

A

27

B

8

D

18

D

28

E

9

C

19

A

29

C

10

B

20

D

30

C


4. Magnetismo 4.1. Fenómeno del magnetismo

Es el fenómeno físico que se refiere a las fuerzas de atracción o repulsión que ejercen imanes sobre otros. Se manifiesta principalmente en sustancias de hierro, cobalto y níquel. El primer imán descubierto fue la magnetita un material bastante común en la región de Asia llamada Magnesia. Las propiedades magnéticas de los imanes se encuentran concentradas en los extremos, esto son los llamados polos magnéticos cada imán tiene un polo norte (positivo) y un polo sur (negativo). La Tierra es un imán natural: el polo norte geográfico corresponde al polo sur magnético y el polo sur geográfico corresponde al polo norte magnético. Todo imán presenta dos polos magnéticos, si rompemos un imán por la mitad cada mitad tendrá dos polos magnéticos, es decir serán dos imanes más pequeños. Es imposible aislar un polo magnético en un imán, esta propiedad es la llamada dipolo magnético. Las perturbaciones que genera un imán en su entorno es lo que llamamos campo magnético; por convención las líneas de campo magnético van desde el polo norte del imán hacia el polo sur del imán.

Experimento sugerido: con ralladura de fierro y un imán observar las líneas de campo magnético que se forman.

4.2. Campo magnético creado por una corriente eléctrica

Cuando una corriente eléctrica viaja por un conductor ésta genera un campo magnético a su alrededor. Para calcular el vector de campo magnético , debemos conocer la intensidad de corriente que pasa por el conductor y además la distancia que existe entre el punto donde queremos calcular y el conductor. Por regla de la mano derecha, haciendo , se obtiene la dirección y sentido, el módulo del campo magnético será:

⃗×



⃗

 2 ∙


4.3. Fuerza magnética



Si ponemos una carga en un campo magnético esta carga experimentara una fuerza magnética, ésta se denomina fuerza de Lorentz, la que está definida por una relación vectorial (producto cruz). Definiremos la cantidad de carga q, como la velocidad de la carga y como el campo magnético. La relación queda de la siguiente forma.

⃗   ∙   ⃗  ⃗    ∙ ∙ ∙ 



Al ser este un producto punto vectorial es necesario conocer el ángulo entre y al que llamaremos . De esta forma podemos decir que el módulo de se define como.

Si la carga Q es positiva, la dirección de F la podemos calcular usando la regla de la mano derecha. 4.4. Fuerza magnética sobre un conductor

ℓ

Si tenemos un conducto de longitud que conduce una corriente eléctrica con intensidad i y lo colocamos con una dirección perpendicular a un campo magnético , el conductor experimentara una fuerza magnética que estará definida como el producto cruz.

En este caso:

⃗

   ∙ ℓ⃗  ⃗   ∙ ℓ ∙ 

Para encontrarla dirección y sentido de esta fuerza debemos usar la regla de la mano derecha, donde el dedo índice indica el sentido de la corriente, el dedo medio la dirección del campo magnético y el dedo pulgar corresponderá a la fuerza resultante.


4.5. Fuerza magnética entre conductores paralelos

Estudiaremos el comportamiento de las fuerzas magnéticas producidas por dos conductores situados en paralelo a una distancia uno del otro. En esta situación existen dos posibles casos, la dirección de la corriente eléctrica por estos cables tiene la misma dirección o bien tienen dirección opuesta. En el caso de que tengan la misma dirección la fuerza será de atracción, por otra parte, si tienen una dirección opuesta la fuerza será de repulsión.



La magnitud de esta fuerza estará dada por la siguiente ecuación:

  ∙ 2∙∙ ∙ ℓ 4.6. Espiras y bobinas

Sabemos que una corriente circulando por un conductor rectilíneo genera una corriente eléctrica, pero la intensidad de este campo no es muy grande. Existen varias maneras de disponer el conductor que producen un aumento en la intensidad del campo magnético. La primera forma es formar una vuelta circular con el conductor, esta disposición se llamada espira. Con esta forma logramos que el campo magnético que rodea al conductor se concentra en el interior del círculo de radio . La intensidad del campo magnético en la espira corresponde a que la definiremos como.



 2 ∙



La otra forma de disponer el conductor es lo que llamamos bobina o solenoide, este consiste en un alambre enrollado en forma de cilindro, cuando circula corriente por la bobina se genera un campo magnético uniforme en su interior. Llamaremos N al número de vueltas del solenoide y a su longitud. La intensidad del campo magnético esta dada por la siguiente relación.

ℓ

  ∙ ℓ ∙


4.7. Inducción electromagnética

Ya hemos estudiado como una corriente eléctrica puede producir un campo magnético, la pregunta que surge ahora es ¿Se puede generar corriente eléctrica con un campo magnético? La pregunta anterior tuvo respuesta en 1831, cuando el físico ingles Michel Faraday, a través de sencillos experimentos, descubrió la inducción electromagnética. El experimento consistía en introducir un imán dentro de una bobina, cuando el imán entraba en la bobina se generaba una corriente eléctrica en cierta dirección, mientras que cuando el imán salía de la bobina se generaba una corriente con dirección opuesta. 4.8. Inductancia o autoinductancia

En un circuito conectado a una sola bobina la intensidad de corriente medida no se eleva inmediatamente al cerrarse el circuito, este fenómeno se conoce como autoinductancia. Sabemos que una corriente en un conductor induce en él una f.e.m. (Fuerza electro motriz), ésta depende de la variación en el flujo magnético. Definiremos la inductancia de la bobina como L, luego el flujo magnético será.

∅ ∙  ∆∅∆

Además, la f.e.m. depende de la variación de este flujo en el tiempo.

Finalmente definiremos el coeficiente de autoinductancia de la bobina o solenoide como.

    ∙ ℓ ∙ 4.9. Circuito RC

El circuito RC está formado esencialmente por un capacitor más una resistencia, debido a que el capacitor experimentará un proceso de carga y descarga la corriente eléctrica en este circuito no es constante. La ecuación de carga del circuito estará dada por:

() ℇ[ −/][ −/] Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 61visita www.psuparatodos.com

La ecuación para el voltaje de carga y corriente eléctrica respectivamente serán:

()  (  −/) () ℇ −/ 4.10. Circuito LC

Recordemos que los condensadores y bobinas son capaces de almacenar energía. La energía almacenada por el capacitor C y la bobina L están respectivamente dadas por las siguientes ecuaciones.

  

y

  

En el circuito LC la energía oscilará entre el capacitor y la bobina, pero la suma de las energías individuales será constante.

  +  4.11.

Circuito RCL

El circuito RCL está constituido por una resistencia, un capacitor y una bobina. Para su análisis consideraremos dos casos posibles. Circuito RCL sin generador: en este caso a diferencia del circuito LC la energía acumulada no será constante, esto se debe a que la resistencia disipará energía. A pesar de que es un circuito oscilante las oscilaciones irán decreciendo en amplitud hasta que la energía llegue a cero. La amortiguación será critica cuando la resistencia este dada por.

    4

Circuito RCL con generador: este circuito generalmente se conecta a un generador con corriente alterna (que estudiaremos más adelante). Para estos circuitos se calcula la oposición total al paso de la corriente Z.

   +(   ) Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 62visita www.psuparatodos.com

Finalmente diremos que un circuito RCL con generador de corriente alterna, entra en resonancia cuando la frecuencia angular de la corriente alterna , esta dada por.

   2 √ 1 ∙

4.12. Motor de corriente continua

Se tiene un dispositivo conductor como el de la figura sometido a un campo magnético constante B, con dirección y sentido como se indica. Se puede apreciar que la corriente eléctrica que circula en el tramo CD va perpendicular a B y por tanto se generará una fuerza. Si aplicamos la regla del de la mano derecha, se obtendrá que la fuerza aplicada en CD es vertical hacia arriba. Ahora, cuando pasa corriente por el segmento DE, ésta circula paralelo a B y por tanto no hay ninguna fuerza generada. Cuando pasa por EG, sucede algo similar a lo que sucede en CD, con la misma magnitud y dirección, pero en sentido opuesto. Finalmente, cuando pasa por el segmento GC tampoco habrá fuerza. Así las fuerzas resultantes harán que se genere una rotación, en este caso a favor de las manecillas del reloj, en un eje perpendicular a B y F. Este es el principio del motor eléctrico. 4.13. Ley de Faraday

Ya hemos estudiado la inducción electromagnética, adicionalmente sabemos que una variación en el flujo magnético en un circuito induce una f.e.m. Michel Faraday definió la f.e.m. como el producto entre el numero de espiras N que componen el circuito y el flujo magnético de este.

4.14. Ley de Lenz



  ∙ ∆∆

Esta ley nos dice que el sentido de la corriente inducida en una espira al acercar el polo norte de un imán es tal que se opone al incremento de flujo magnético. Luego la ley de Faraday nos dice que el voltaje inducido , estará dado por la variación del flujo en el tiempo y el numero de vueltas de la bobina .

  

∆

   ∆


5. Generación de energía eléctrica 5.1. Corriente alterna

Corriente alterna (CA) es un tipo de corriente eléctrica donde la magnitud y sentido varían cíclicamente, oscilando comúnmente de manera sinusoidal. Este tipo de oscilación provee una transmisión más eficiente de energía. Sin embargo, en otras aplicaciones se utilizan otro tipo de oscilaciones. Este tipo de corriente se utiliza generalmente de manera doméstica, así llega a las casas. No obstante, gran parte de los aparatos electrónicos deben utilizar un transformador para pasar de tensiones altas a tensiones más bajas (voltaje). Es precisamente el transformador el que da la mayor ventaja frente a la corriente continua ya que de manera sencilla se puede aumentar en gran medida el la tensión o diferencia de potencial.

La obsesión por aumentar la tensión viene dada por el efecto Joule, que no se detalla para el ámbito PSU, pero lo nombramos porque da luces sobre cómo la corriente alterna viajando a altas tensiones permite disminuir en forma drástica la energía disipada en forma de calor. Ejercicio propuesto en clases: tome un transformador de computador y vea que valores indica. ¿Qué significa 50Hz? discuta.

5.2. Transformadores

Los transformadores son dispositivos que permiten convertir una f.e.m. grande en una pequeña o viceversa. El transformador más básico corresponde a un núcleo de hierro que tiene enrollado en un alambre conducto conectado en cada uno de sus extremos como lo muestra la figura. Las variaciones en los voltajes y se relacionaran con las cantidades de vueltas y que tienen alrededor del núcleo del transformador de la siguiente manera:

  

   Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 64visita www.psuparatodos.com

6. Ondas electromagnéticas 6.1. Variación sinusoidal de campos

Una onda electromagnética “vive” en dos

planos, el plano comprendido por el campo eléctrico y el tiempo; y otro formado por el campo magnético y el tiempo. Las ecuaciones de onda pueden ser un poco complejas y salir del ámbito PSU, sin embargo es recomendable estudiarlas y comprenderlas al menos a nivel conceptual.

Donde:

 ∙()  ∙()  2 longitud de onda 2∙∙ , valor máximo del campo (amplitud de onda)

6.2. Transmisión y recepción de ondas electromagnéticas

Se estudiará específicamente las ondas de radio, éstas están presente cuando enciendes la radio del equipo de música de tu casa, en ese momento estas captando las ondas emitidas al aire por las radioemisoras. Las ondas de este tipo tienen dos elementos fundamentales, la señal de audio (la música o la voz del locutor) y la onda portadora, que es la que transmite la señal de audio a través de una alta frecuencia. El micrófono transforma el audio en pulsos eléctrico alternos. Estos pulsos son equivalentes a la señal audible y luego son modulados para ser enviados por la señal portadora. Esta onda portadora se genera con un circuito oscilante la que es amplificada antes de ingresar al módulo donde se forma la onda de radio. Cuando la señal modulada es emitida al aire el equipo recepto capta la onda electromagnética mediante un circuito LC. La señal amplificada será decodificada con un detector. Luego la onda de audio estará lista para hacer oscilar los parlantes que transforman el impulso eléctrico en sonido. 6.3. Funcionamiento de antenas

Siguiendo con las ondas de radio, es importante saber cómo funciona una antena. Cuando la onda de radio llega a la antena transmisora, hace vibrar sus electrones y en ese momento las ondas electromagnéticas son emitidas y comienzan a propagarse por el aire en distintas direcciones. Finalmente, las antenas receptoras captan las ondas electromagnéticas y las convierten en señales eléctricas. En la actualidad las ondas son transmitidas por tres rutas de propagación: ondas superficiales, ondas aéreas y ondas espaciales.


6.4. Resumen


6.5. Ejercitación Actividad 1 Caso 1: Si

te encuentras en una zona rural durante una tormenta eléctrica. ¿Señale con una circunferencia el lugar que considera más apropiado para ubicarse con el objetivo de disminuir la posibilidad de ser alcanzado por un rayo? Debajo de Un árbol

Junto a una torre de alta tensión

En la cima de un cerro

En un valle a campo abierto

En el interior de un pozo seco y profundo

Justifica tu respuesta:

La aguja de una brújula está orientada como indica la figura, se mueve o queda en equilibrio al acercar una varilla. ¿Cuál de las siguientes opciones es más compatible con las imágenes, con respecto a los materiales que constituye las varillas P y R? Caso 2:

Plástico y madera

Vidrio y plástico

Hierro y plástico

Madera y hierro

Hierro y vidrio

Caso 3:

Tres niños boys scout Camilo, Mauricio y Felipe se encuentran ubicados en el Norte, Centro y Sur terrestre respectivamente. Si Mauricio posee una brújula en su mano, lo que él ve es que el norte magnético de la brújula apunta hacia________________, que el sur magnético de la brújula apunta hacia _______________. Actividad 2

Señala cual de las centrales eléctricas corresponden a las siguientes pistas:

a) Utilizan energía hidráulica de un curso de agua haciendo girar una turbina que envía la energía mecánica a un generador, obteniendo energía eléctrica que es conducida a un transformador. Nos referimos a las centrales: _________________.


b) La primera etapa consiste en la quema de un combustible, como carbón, petróleo o gas, transformando el agua en vapor. La segunda consiste en la utilización de ese vapor, a alta presión, para hacer girar una turbina que, a su vez, acciona el generador eléctrico. Finalmente, el vapor es condensado, retornando el agua a la caldera, lo que completa el ciclo. Nos referimos a las centrales: _________________.

c) Utiliza la energía cinética del viento. El viento hace girar las aspas de un molino, donde la hélice va conectada directamente al generador. Nos referimos a las centrales: _________________.

d) Utilizan como combustible algún elemento radiactivo que en un proceso de fisión genera calor que permite calentar agua, transformándola en vapor a gran presión, lo que permite mover una turbina conectada a un generador. Nos referimos a las centrales: _________________.

e) Utiliza la propiedad de ciertos materiales de generar una corriente de electrones cuando incide sobre ellos una corriente de fotones. Los fotones de la luz solar portan energía que arranca los electrones sobrantes de la capa de un átomo del material y los hace moverse en dirección a los lugares en donde existe déficit de electrones. Nos referimos a las centrales: _________________

f) Opera de forma similar a las centrales termoeléctricas. Se capta energía solar para calentar agua, evaporarla y el vapor a presión hace funcionar un generador unido a una turbina. Nos referimos a las centrales: _________________


6.6. Ejercicios PSU

1. ME Con respecto a las ondas electromagnéticas, es correcto afirmar que: I) II) III) A) B) C) D) E)

Producen una perturbación en el campo magnético. Producen una perturbación en el campo eléctrico. Tienen un comportamiento sinusoidal.

Solo I Solo II Solo III Solo II y III Solo I, II y III

2. ME En el campo del electromagnetismo, se puede afirmar siempre que: I) II) III) A) B) C) D) E)

La corriente alterna se diferencia de la continua en que la segunda sufre oscilaciones cíclicas. Al circular una corriente eléctrica por un conductor, se genera un campo magnético a su alrededor. Se puede generar una corriente eléctrica como consecuencia de una variación del flujo magnético.


3. ME En el campo del electromagnetismo, se puede afirmar siempre que: I) II) III)

A) B) C) D) E)

La aguja norte de una brújula apunta al polo sur magnético de la tierra. La aguja norte de una brújula apunta al polo norte magnético de la tierra. Si un electrón ingresa a una zona donde actúa un campo magnético constante cuya dirección y sentido coincide con la velocidad del electrón, este aumenta su rapidez.



4. ME En la figura se muestra una corriente eléctrica que es conducida a través de un cable de cobre con intensidad . Este cable cruza un campo magnético homogéneo como se indica. Bajo estas condiciones se puede afirmar que:



A) Sobre el alambre actúa una fuerza magnética cuya dirección apunta en el sentido positivo del eje Y. B) Sobre el alambre actúa una fuerza magnética cuya dirección apunta en el sentido negativo del eje Y. C) Sobre el alambre actúa una fuerza magnética cuya dirección apunta en el sentido positivo del eje X. D) Sobre el alambre actúa una fuerza magnética cuya dirección apunta en el sentido negativo del eje X. E) Sobre el alambre actúa una fuerza magnética cuya dirección apunta hacia afuera del plano del papel. 5. ME La figura muestra un experimento donde se enrolla un cable de cobre alrededor de un clavo de hierro y se conectan los extremos a una batería. En las cercanías se encuentra un clavo de hierro pequeño.

Con respecto a esta situación ¿Cuál(es) afirmación(es) es(son) correctas? I) II) III) A) B) C) D) E)

El clavo de hierro atraerá al clavo pequeño. El clavo de hierro repele al clavo pequeño. El clavo pequeño se transforma en un electroimán.

Solo I Solo II Solo III I y III II y III


6. ME Un imán es dividido en dos partes como muestra la figura es correcto afirmar que:

A) La parte 1 tendrá dos polos norte, porque su extremo superior quedará muy cercano al polo norte original. B) La parte 2 estará constituida por un polo norte a la parte superior y un polo sur a la parte inferior. C) La parte 1 y 2 tendrán solo un polo sur, en la parte inferior, ya que no es posible la formación de un nuevo polo cuando el imán se corta. D) Cada parte constituirá un nuevo imán independiente, y los polos norte y sur se alternarán. E) Las partes 1 y 2 quedan neutros. 7. ME La brújula se orienta debido al campo magnético de(del): A) B) C) D) E)

Las personas De la luna Del sol De la tierra Del mar

8. ME Con respecto a los imanes es incorrecto afirmar que: A) B) C) D) E)

Pierde sus características por no existir campo magnético lunar. Generan campo magnético. Atrae otros imanes y metales. Los imanes se orientan en la dirección norte – sur por el campo magnético terrestre. Ninguna es correcta.

9. ME Con respecto a la historia de la Brújula es correcto afirmar: I) II) III)

Uno de los primeros instrumentos en el que se utilizaron las propiedades magnéticas fue inventada por los chinos Su registro histórico data del siglo II.

A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Todas son correctas. E) Ninguna es correcta.


10. ME El polo norte magnético de la tierra se encuentra aproximadamente en: A) B) C) D) E)

El sur de la tierra. El norte de la tierra. El centro de la tierra. África. Australia.

11. ME ¿Qué probó en el área del magnetismo el experimento de Faraday? A) Que se podía obtener corriente eléctrica haciendo que un imán tuviera movimiento relativo en el interior de una bobina o solenoide. B) El experimento de Faraday confirma que toda corriente eléctrica produce un campo magnético. C) La tierra es esférica. D) El mar produce que la tierra sea un gran imán. E) No se puede generar corriente eléctrica con una bobina. 12. ME Hans Christian Oersted descubrió que: A) Al circular corriente eléctrica por un conductor, en su entorno se formaba un campo magnético. B) Al romper un imán se forman dos imanes. C) Teoría geocéntrica. D) Las bobinas generan campo magnético E) No descubrió nada. 13. ME La corriente inducida depende de: A) B) C) D) E)

La temperatura con que se modifica el flujo magnético. La rapidez con que se modifica el flujo magnético. El tiempo con que se modifica el flujo magnético. Las corrientes presentes que modifica el flujo magnético. Ninguna de las anteriores.

14. ME Dos de fierro cilíndricos se colocan lado a lado dentro de una bobina muy larga. Cuando la corriente fluye por la bobina, los dos fierros se: A) B) C) D)

Se magnetizan. Se repelen. Se atraen. Se magnetizan y repelen. E) Se magnetizan y atraen.


15. ME Las líneas de inducción del campo magnético de un imán: A) Salen del polo norte y entran por el polo sur. B) Salen del polo sur y entran por el polo norte. C) Salen del polo norte y vuelven al polo norte. D) Salen del polo sur y vuelven al polo sur. E) Ninguna de las anteriores. 16. ME El campo magnético es uniforme en: A) B) C) D) E)



El interior de un solenoide o una espira recorrido(a) por una corriente de intensidad . El interior de un transformador. El interior de una bobina rectangular en movimiento sin corriente. El interior de una bobina circular en movimiento sin corriente. Ninguna de las anteriores.

17. ME Un dipolo eléctrico es un sistema formado por dos cargas puntuales de igual magnitud, de signo positivo y otra carga de signo negativo, que están separadas por una distancia pequeña. Es correcto afirmar que el campo eléctrico en el punto medio entre las cargas es: A) B) C) D) E)

Dirigido hacia la carga negativa. Nulo. Debido a las cargas del dipolo horizontal a las cargas. Está dirigido hacia la carga positiva. Debido a las cargas del dipolo vertical a las cargas.

18. ME En la figura se muestra un electrón que ingresa a la zona C donde existe un campo magnético E constante cuya dirección y sentido apuntan hacia fuera del dibujo de manera vertical.

De acuerdo a esto, en la zona C la fuerza eléctrica sobre el electrón es A) Nula. B) De abajo hacia arriba C) De arriba hacia abajo D) De derecha a izquierda E) De izquierda a derecha


19. ME En la figura se muestra una carga positiva que ingresa a la zona C donde existe un campo magnético E constante cuya dirección y sentido apuntan hacia fuera del dibujo de manera vertical.

De acuerdo a esto, en la zona C la fuerza eléctrica sobre la carga es A) B) C) D) E)

Nula. De Abajo hacia Arriba De Arriba hacia Abajo De Derecha a Izquierda De Izquierda a Derecha

20. ME Normalmente la aguja de una brújula se desvía cuando se la acerca a un solenoide por el cual circula una corriente eléctrica. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones explica este hecho recién descrito? A) B) C) D) E)

La brújula induce una corriente eléctrica y campo magnético adicional en el conductor. La corriente eléctrica interactúa con el campo magnético de la tierra. El movimiento de la brújula induce un campo magnético. La brújula interactúa con el campo magnético generado por la corriente eléctrica. Las cargas eléctricas de la brújula son atraídas por la que fluyen por el solenoide. Alternativas Correctas 1

E

11

A

2

D

12

A

3

C

13

B

4

A

14

D

5

A

15

A

6

D

16

A

7

D

17

A

8

A

18

E

9

D

19

D

10

A

20

D


Capítulo 3: La tierra y su entorno 1. La Tierra 1.1. La Tierra y su origen

Los estudios más recientes de los elementos más antiguos encontrados en la tierra muestran que ésta se formó alrededor de 4.650 millones de años. Se cree que una nebulosa formó el sistema solar, por consecuencia la Tierra tendría el mismo origen. La formación de la Tierra se puede dividir en cuatro fases: Durante la primera fase llamada acreación ocurrió la condensación de las primeras partículas que formaron la Tierra. Además, se formó la primera atmósfera. En la segunda fase gracias a las fuerzas de gravedad se produjo una fusión de los elementos que hoy forman la Tierra, como consecuencia de esto los materiales más densos se organizaron al centro y los más ligeros se desplazaron a la corteza. Como consecuencia de la poca gravedad existente, gran parte de la atmósfera primitiva se perdió, ésta fue reemplazada por una atmósfera que tenía principalmente, metano, amoniaco y sobre todo agua. La tercera fase la podemos caracterizar por la aparición de los océanos, esto se debió al enfriamiento del planeta que permitió que el agua en la atmosfera se condensara. La actividad volcánica fue bastante intensa y esto ayudo a la formación de los principales continentes. Finalmente, durante la cuarta y última fase la Tierra comenzó a tomar su forma actual, aparecen los primeros continentes y las placas. La forma de la Tierra es la de una esfera achatada en los polos, el radio ecuatorial de la Tierra es de 6.379 km y un radio polar de 6.357 km. La Tierra posee dos polos magnéticos que generan líneas de campo idénticas a las de un imán, esto permite el uso de las brújulas como medio de orientación. La estructura de la Tierra se puede dividir en tres capas principales, la primera es la geósfera que corresponde al elemento tierra, la segunda es la hidrósfera que corresponde a las aguas y la tercera que es una capa formada de gases es la llamada atmósfera. Si bien el agua corresponde a tres cuartos de la superficie la Tierra, la geósfera concentra un 99,9% de la masa, la hidrósfera un 0,030% y la atmósfera solo un 0,008%. Las capas de la tierra están definidas por un modelo químico (estático), donde las capas se definen de acuerdo a la composición química, en cambio el modelo físico (dinámico), las capas se designan según el comportamiento mecánico ante los movimientos sísmicos de la tierra.


1.2. Geósfera

Se divide en tres capas principales. La primera es la Corteza terrestre que corresponde a la superficie de la Tierra y termina a uno 40 km de profundidad. Si seguimos acercándonos al centro de la tierra nos encontraremos con la segunda capa el llamado manto, que se extiende desde la corteza hasta aproximadamente unos 2.900 km de profundidad, las temperaturas promedio de la roca en esta capa fluctúa entre los 1.000 y 3.000 grados Celsius. Finalmente la capa más profunda corresponde al Núcleo, posee un espesor de 3.500 km. 1.3. Hidrósfera

Está formada por agua, se dice que su masa es constante y que está en constante movimiento, esto se debe al ciclo del agua. El 97% de la hidrosfera es agua salada, el resto se divide en orden creciente entre glaciares, aguas dulces y vapor atmosférico. A continuación, se ve un diagrama que explica el ciclo del agua.


1.4. Atmósfera

Corresponde a una gigantesca masa de gas que rodea al planeta se divide en cuatro capas principales, tropósfera, estratósfera, mesósfera y termósfera.

1.5. El dinamismo del planeta

Cuando hablamos del dinamismo del planeta nos referimos principalmente a la interacción de las placas tectónicas. La teoría de placas explica la estructura y dinámica de la superficie de la Tierra. Los bordes de las placas concentran actividad sísmica, volcánica y tectónica. Existen tres tipos básicos de interacción entre las placas: fronteras divergentes, fronteras convergentes y fronteras de trasformaciones (transcurrentes).


1.6. Existencia de vida

Desde el punto de vista de la física, existen dos factores fundamentales que permiten la existencia de vida en la Tierra. El primero es la posición de la Tierra respecto del Sol, recordemos que la tierra es el único planeta del sistema solar en el que se ha desarrollado la vida en abundancia, el planeta tiene una temperatura que permite el desarrollo de la vida. El segundo factor es la atmósfera, esta realiza tres funciones esenciales para la vida: contiene las cosas necesarias para ésta, regula la temperatura de la superficie y actúa como filtro para la radiación del Sol. 2. El sistema solar 2.1. Ley de gravitación universal

 ∙ ∙ 

La Ley de gravitación universal indica que dos cuerpos con masa siempre se van a atraer con una fuerza directamente proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Se denomina Ley universal ya que está presente en todo el universo, es decir, dos cuerpos cualesquiera con masa se van a atraer pese a que no nos demos cuenta, esto sucede porque la constante G es muy pequeña (constante de gravitación universal), vale aproximadamente por lo que deben ser cuerpos con mucha masa para notarlo.

6,68 ∙10−−

Ahora lo importante es que como ambas masas van multiplicadas, lo importante finalmente para determinar la fuerza de atracción será el producto de sus masas, así, por ejemplo, un ser humano en la tierra tiene una masa muy menor a la de la Tierra, y sin embargo la fuerza de atracción es perceptible y se llama Peso.



Ejercicio propuesto para desarrollo en clases: cálculo de a nivel del mar, aplicando la Ley de gravitación universal. 2.2. Leyes de Kepler 2.2.1. Primera ley de Kepler

La primera ley nos indica que todos los planetas giran entorno al Sol, sobre una órbita de trayectoria elíptica y que el Sol se encuentra sobre uno de los focos de dicha elipse. 2.2.2. Segunda ley de Kepler

Si trazamos una línea entre un planeta y el sol, esperamos un tiempo y volvemos a trazar la línea entre el planeta y el sol formaremos una sección de la elipse. La segunda ley de Kepler nos dice que esta área será constante para cualquier constante, es decir el planeta barre áreas iguales en tiempos iguales tal como lo muestra la figura.






Esta ley de constancia de áreas es equivalente a la conservación del momento angular, cuando el planeta este cercano al sol su velocidad será mayor, por otra parte cuando se aleja del sol su velocidad se vuelve cada vez menor.

momommento ento angangulular   ∙  ∙  ∙ ∙  2.2.3. Tercera ley de Kepler



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La tercera ley nos habla de la relación que existe entre el periodo orbital y la longitud del semieje mayor de la elipse descrita por la orbita. orbita. Particularmente el cuadrado del periodo será directamente proporcional al cubo de la longitud.

 constante 2.3. Los movimientos de la Tierra 2.3.1. Rotación

El fenómeno de la rotación consiste en que la Tierra gira sobre su propio eje, en sentido anti horario se lo miramos desde el polo norte y con ángulo de 23,5 grados aproximadamente. Esta rotación es lo que provoca que se generen los días y las noches ya que tiene un período de rotación de 23 horas 56 minutos y 4,09 segundos. 2.3.2. Traslación

Tal como Kepler lo había indicado, la Tierra gira con forma elíptica estando el sol en uno de sus ejes. Cuando la Tierra este en el punto más cercano diremos que está en el Perihelio y cuando este en el más lejano diremos que está en el Afelio. Como la distancia al Sol no es constante se generan las estaciones. Éstas son influidas también por el ángulo de inclinación de la Tierra con respecto a su eje, ya que habrán zonas más cercanas y otras más lejanas.

En los sectores cercanos al Ecuador las estaciones son más parejas ya que no hay mucha diferencia en su ubicación relativa al Sol, por ejemplo, en Colombia se dice que no hay estaciones; mientras que en los polos es mucho más marcado, incluso se dice que hay 6 meses de sol y 6 meses de oscuridad debido a lo extremo de sus estaciones.


2.4. La Luna

La Luna es el único satélite natural de la Tierra y gira alrededor de ella con un período de 27 días 7 horas y 46,7 minutos. Tiene una masa de kg y se ubica a una distancia media de 384.400 km de la Tierra. La Luna es el único cuerpo se celeste en que el hombre a realizado un descenso tripulado.

7,349 ∙10

Como cuerpo celeste la Luna no posee luz propia, entonces ¿de dónde viene la luz de luna que vemos en las noches?, la respuesta es sencilla es el reflejo del Sol. La Luna es la responsable de los fenómenos de eclipse, explicados en el siguiente diagrama.

La luna como todo cuerpo genera un campo gravitatorio, este campo tiene un efecto especial sobre la superficie terrestre específicamente sobre los océanos, a continuación se muestra un diagrama de cómo la Luna genera cambios en las mareas de la tierra.


2.5. Los planetas

Un planeta es un cuerpo celeste que orbita de manera solitaria alrededor de una estrella. Para ser catalogado como tal, debe además tener masa suficiente para que la atracción interna haga que su forma sea esférica. Hasta el año 2006 se consideraba que el sistema solar tenía 9 planetas, en orden desde el sol hacia afuera: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, M arte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón. Sin embargo, Plutón dejó de ser considerado un planeta por varias razones, entre ellas que posee una masa significativamente menor a los otros, y que la órbita que describe no es coplanar con respecto a ellos. Por lo que el listado de planetas se redujo a 8 que mantienen el siguiente orden: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. 3. El Universo 3.1. Las estrellas y su evolución

Una estrella es todo objeto astronómico que brilla con luz propia, en general titilante, sin necesidad de recibir un estímulo externo. Estos cuerpos tienen forma esférica y emiten energía a través de radiación electromagnética, neutrinos y viento estelar, esto es lo que nos permite verlas. Las estrellas se encuentran a distancias astronómicamente significativas por tanto se aprecian solamente como un punto y muchas veces no son observables a simple vista. El sol es una estrella y se ve de forma circular debido a su "cercanía a la tierra". En términos más científicos una estrella es una esfera de material en estado plasma que mantiene su forma debido a las fuerzas que atraen hacia el centro de la misma. Sin embargo, con el tiempo, las estrellas comienzan a generar reacciones de fusión en su exterior lo que provoca expansiones y contracciones de manera cíclica. Poco a poco la masa de la estrella (el combustible) se va agotando y las fuerzas de contracción son superiores, así la estrella va colapsando, hasta que finalmente se produce una supernova. 3.2. La vía láctea

La vía Láctea es una galaxia con forma de espiral, en la cual se encuentra el Sistema Solar, y por ende la Tierra. Según mediciones posee una masa de 1012 veces la masa del sol y tiene un diámetro medio de unos 100.000 años luz. El sol se encuentra aproximadamente a 27.000 años luz. En la noche se ve como una borrosa banda de luz alrededor de toda la esfera celeste. Su fenómeno visual se debe a estrellas y otros materiales .


3.3. Resumen


3.4. Ejercitación Actividad 1

Completa el dibujo señalando las capas de la tierra

Actividad 2

Chile se encuentra a lo largo del borde de dos placas tectónicas, estas son la de Nazca y la Sudamericana, esta ubicación determina que nuestro país sea un escenario de consecuencias de la interacción placas. Indique encerrando en una circunferencia cuál de los fenómenos que se muestran a continuación suceden en nuestro país como efecto del movimiento de placas. Actividad Sísmica Deforestación Tornados

Megatsunami Maremotos Tormenta solar

Ola Brava Mangas marinas Actividad Volcánica

Ciclones tropicales Formación de montañas Epidemias

Actividad 3

Existen dos escalas de uso universal para medir la magnitud e intensidad de un sismo, la escala de Richter y escala de Mercalli. Con respecto a lo anterior: ¿Qué diferencias tiene la escala de Richter con la de Mercalli? 




Indica hasta que intensidad has vivido los sismos.

Intensidad I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Efecto observado No sentido, excepto por pocos. Sentido solo por pocas personas en reposo, especialmente en los pisos superiores. Sentido claramente en interiores, especialmente en los pisos superiores, pero muchas personas no lo reconocen como temblor. En el día es sentido en los interiores por muchas personas; en exteriores, por pocas. Sentido por la mayoría; muchos se despiertan. Se advierte a veces movimiento de árboles, postes y otros objetos altos. Sentido por todos; muchos se asustan y corren al exterior. Algunos muebles pesados se mueven. Todos escapan al exterior. Daño mínimo en edificios bien diseñados y construidos; daño considerable en estructuras mal diseñadas o mal construidas. Daño considerable en edificios ordinarios. Caída de chimeneas, columnas, monumentos, muros. Los edificios se desplazan de sus cimientos. Grietas visibles en el suelo. La mayoría de las estructuras se destruyen. Suelo muy fracturado. Pocas estructuras, o ninguna, permanecen en pie. Los puentes se destruyen. Largas y profundas grietas en el terreno. Daño total. Ondas visibles en el terreno. Los objetos son lanzados al aire.

Actividad 4

Indique las cinco capas de la atmósfera en el dibujo.


3.5. Ejercicios PSU

1. La capa de ozono es importante protegerla porque: I) II) III) A) B) C) D) E)

Contribuye al incremento del anhídrido carbónico. Disminuye el paso de la radiación ultravioleta. Es la principal responsable del color del cielo.

Solo I Solo II Solo III Solo I y III Solo I, II y III

2. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa respecto a lo propuesto por el modelo Geocéntrico? A) Las orbitas descritas por los cuerpos celestes es perfectamente circular. B) La tierra es el centro del movimiento del sistema solar. C) El modelo fue presentado por Nicolás Copérnico D) La velocidad de los planetas es perfectamente uniforme. E) Ninguna de las anteriores. 3. El movimiento de traslación de los planetas es: A) Su giro entorno a un eje. B) Su vaivén con respecto a un eje. C) Su órbita entorno al Sol. D) Su giro sobre sí mismo. E) Ninguna de las anteriores.



4. Sabemos que la fuerza de atracción entre dos planetas es , si disminuimos la distancia entre ellos a la mitad, entonces la fuerza de atracción será. A) B) C) D) E)

42 /2 /4

5. Respecto a los eclipses es falso que ocurren: A) Cuando tres cuerpos celestes están alineados. B) Cuando la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra. C) Cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna. D) Cuando la sombra de un cuerpo celeste tapa a otro. E) Ninguna de las anteriores.


6. ¿Cuál de los siguientes elementos no pertenece a la geósfera? A) Manto. B) Núcleo. C) Termósfera. D) Corteza. E) Ninguna de las anteriores. 7. El planeta que posee mayor masa del sistema solar es: A) B) C) D) E)

Tierra Júpiter Saturno Urano Neptuno

8. “La distancia que une a la tierra con el Sol, describe áreas iguales en tiempos iguales” , según las leyes de Kepler, esta ley implica que la tierra se mueve: A) B) C) D) E)

siempre con la misma rapidez. más de prisa cuando pasa cerca del Sol. más lento cuando pasa cerca del Sol. más de prisa en los equinoccios. en una trayectoria circunferencial.

9. La escala en que se miden los efectos en un terremoto es: A) B) C) D) E)

La escala Richter que mide intensidad. La escala Richter que mide magnitud. La escala Mercalli que mide magnitud. La escala Mercalli que mide intensidad. Ambas escalas.

10. Respecto a las ondas S poseen un movimiento: A) B) C) D) E)

Transversal y solo en medios sólidos. Longitudinal y solo en medios sólidos. Longitudinal y solo en medios líquidos. Transversal y solo en medios líquidos. Ninguna de las anteriores.


11. ¿Cuál de las siguientes opciones corresponden a una de las capas que conforman la geósfera de la tierra según el modelo químico (estático)? I) Núcleo II) Manto interior III) Mesosfera A) B) C) D) E)

Solo I Solo II Solo I y II Solo II y III I, II y III

12. “Son dos términos filosóficos contrapuestos que explican la relación entre el ser humano y el universo” La afirmación anterior corresponde a

A) B) C) D) E)

Universo y sistema solar. Microcosmos y macrocosmos. Copérnico y Kepler. Astronomía y teoría de la relatividad especial. Inflación cósmica y galaxias.

13. Respecto a los movimientos de la tierra es correcto afirmar que: I) II) III) A) B) C) D) E)

Los principales movimientos de la tierra son: rotación, traslación, precesión, nutación y bamboleo de Chandler. Una rotación de la tierra dura 23 horas con 56 minutos y 4 segundos. Producto de la traslación de la tierra cada cuatro años hay un año que tiene 366 días.

Solo I Solo II Solo III Solo I y III Todas las afirmaciones son correctas.

14. “Modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y del sistema solar su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal ”. La definición se refiere a: A) B) C) D) E)

Universo Big Bang Energía Oscura Galaxia Ley de Hubble


15. Según la ciencia lo que cambio la composición de la atmósfera primitiva es(son): A) B) C) D) E)

La deriva de las placas tectónicas. La aparición de organismos que producían oxígeno. La aparición de organismos que producían agua. La caída de meteoritos sobre la superficie de la Tierra. La transferencia de gases desde el Sol y las estrellas

16. ¿Cuáles son los planetas que tienen órbitas vecinas más cercanas a la Tierra? I) Venus II) Marte III) Júpiter A) B) C) D) E)

Solo I Solo II Solo I y II Solo III I, II y III.

17. “Denso y que consiste básicamente de rocas ” lo anterior se refiere a la capa de la tierra llamado: A) Núcleo interior B) Núcleo exterior C) Manto D) Corteza E) Ninguna de las anteriores. 18. El componente que más está presente en el aire es: A) B) C) D) E)

Oxigeno Nitrógeno Helio Dióxido de carbono Ninguna de las anteriores.

19. Se dice que Chile es un país sísmico por: A) B) C) D) E)

la placa de nazca interactuando con la placa continental. la cantidad de volcanes que hay en el país. los cambios de climas de manera drásticamente. la capa de ozono. estar cerca del mar a lo largo del territorio chileno.


20. Con respecto a la escala Richter es correcto afirmar que: I) II) III) A) B) C) D) E)

Va de 0 a 10 grados. Mide la magnitud. Se expresa por medio de números Romanos.

Solo I. Solo II. Solo I y II Solo II y III. Solo III.


B

11

C

2

C

12

B

3

C

13

E

4

A

14

B

5

A

15

B

6

C

16

C

7

B

17

C

8

B

18

B

9

D

19

A

10

A

20

C


Capítulo 4: ME Mundo atómico 1. El átomo 1.1. Experimento de Rutherford

En 1908, Ernest Rutherford, recibe el premio Nobel por el descubrimiento de la estructura del núcleo atómico. Lo determinó realizando un experimento en donde bombardeo láminas delgadas de oro con rayos alfa (partículas positivas provenientes de un material radiactivo) y por medio de una pantalla pudo detectar que la mayoría de las partículas traspasaban la lámina sin ninguna desviación. Sin embargo, algunas pocas, eran desviadas o rechazadas totalmente.

Del este experimento se pudo deducir que: 







La masa del átomo se concentra en su núcleo, ya que solo algunas partículas alfa son repelidas cuando chocan con algo sólido. El núcleo del átomo es positivo, puesto que algunas partículas experimentas alfa desviación al pasar cerca de él (repulsión de cargas de igual signo). La mayor parte del átomo es vacío, siendo el núcleo 100.000 más pequeño que el tamaño total del átomo, puesto que la mayoría de las partículas alfa no presentaron desviación. Los electrones deben encontrarse en continuo movimiento, ya que no interfieren con la trayectoria de las partículas alfa, ni las atrapan.


Además, propuso la existencia de una partícula neutra en al interior del núcleo atómico, con una masa parecida a la del protón. De esta forma explicó por qué la masa atómica total era mayor que la suma de solo los protones. El modelo atómico de Rutherford también se denominó modelo atómico planetario por su similitud con el sistema solar. Sin embargo, este modelo presenta problemas que Rutherford no pudo aclarar, por ejemplo: según la mecánica clásica, el electrón se sentiría atraído al núcleo positivo moviéndose hacia él, perdiendo energía, lo que inevitablemente lo llevaría a caer sobre el núcleo atómico, con la consiguiente destrucción del átomo. Este modelo atómico no explica el espectro de luz discontinua de energía como lo muestran las evidencias experimentales, ya que permite cualquier orbita y por ende un espectro continuo de luz. 1.2. Modelos atómicos 1.2.1.Modelo Thomson

En 1906, Joseph Thomson recibe el premio nobel por el descubrimiento del electrón. Este científico fue el primero en proponer un modelo estructural interno del átomo. Thomson postula que el átomo debe ser una esfera positiva en el cual se encontrarían incrustados los electrones en distintos lugares, de manera que las cargas negativas igualaran a las cargas positivas. A este modelo se le llama comúnmente modelo atómico del “budín de pasas”: 1.2.2.Modelo Bohr

En 1916, Niels Bohr propone un nuevo modelo atómico basado en el espectro del átomo de hidrógeno. Este estuvo inspirado en las proposiciones realizadas por Planck y Einstein. Max Planck encontró que la energía de la radiación electromagnética es discontinua, es decir, estaría formada por paquetes o cuantos de energía, en donde se cumple que:

ℎ∙ 

ℎ



Donde = energía del cuanto correspondiente; = constante de Planck; = frecuencia de la radiación electromagnética.


En este escenario Bohr plantea que: 







Las orbitas donde los electrones giran son circulares. La energía de un electrón está cuantizada, es decir, solo puede tener valores enteros a los que denomina niveles de energía ( , etc.)

n 1,2,3,4

Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones bien definidas donde no pierden ni ganan energía a los que denomina estados estacionarios. Cuando un electrón absorbe energía pasa a un nivel superior, mientras que si baja de nivel emitirá energía.

1.1. Principio de incertidumbre

El principio de incertidumbre dice que es imposible saber con exactitud, al mismo tiempo, la velocidad y la ubicación de una partícula sub atómica. Esto es debido a que la única opción de observar el comportamiento de ésta es a través de la luz, lo que implica que haya un fotón que sea enviado hacia ella y rebote hasta llegar al ojo humano o lente de una cámara. El choque del fotón con la partícula, hará variar al momentum de ésta y, por tanto, su velocidad y al mismo tiempo cuando ya llegue al observador, ciertamente la posición habrá cambiado, por lo que la información proporcionada no es válida. 2. Núcleo atómico 2.1. Partes del átomo y sus características

El átomo tiene tres partes principales, protón, electrón y neutrón. Como ya vimos en la unidad de electricidad, el electrón corresponde a la carga negativa y el protón a la positiva. Los neutrones son los encargados de dar estabilidad al núcleo de protones, esto debido a que como los protones tienen carga positiva tienden a repelerse y son los neutrones quienes ayudan a disminuir estas fuerzas de repulsión. Se dice que un átomo es eléctricamente neutro cuando el número de protones es igual al número de electrones.


2.2. Radiactividad natural

El fenómeno de la radioactividad natural es producido por núcleos inestables, que podemos encontrar en la naturaleza. Estos núcleos decaen de forma espontánea. Existen tres tipos de emisiones radiactivas, los llamados rayos: alfa, beta y gamma. Estas emisiones tienen diferentes características, se diferencian principalmente por la capacidad de ionizar y penetrar la materia. Un rayo alfa corresponde a un núcleo de helio, un rayo beta a un electrón y un rayo gamma es una onda electromagnética de longitud menor que la de un rayo x. 2.3. Decaimiento radiactivo

Cuando tenemos núcleos inestables estos tenderán a una configuración más estable a medida que pasa el tiempo, este proceso es lo que llamamos decaimiento radiactivo. La ecuación que describe el fenómeno decaimiento está dada por: el número de núcleos sin decaer , el número inicial de núcleos , el tiempo y la constante de decaimiento





.



 

Se suele definir vida media al tiempo t que la sustancia demora en decaer hasta 2.4. Relación entre masa y energía

/2

.

La relación entre masa y energía fue descrita por el fisco alemán Albert Einstein, dicha relación está dada por la siguiente ecuación.



Donde es la energía, luz.

   

la masa y es la velocidad de la

2.5. Fisión y Fusión nuclear 2.5.1.Fusión nuclear

Es el proceso por el cual dos o más núcleos atómicos livianos, de carga similar se unen formando uno más pesado. Debido a que la masa del nuevo núcleo es menor que la suma de las masas combinadas, tenemos una pérdida de masa, lo que se ve reflejado en una liberación de gran cantidad de energía, finalmente la materia entra en un cuarto estado de la materia llamado plasma. Para que estas reacciones ocurran son necesarias altas temperaturas, como las que se producen al interior del sol y las estrellas. Es por esta razón que también se les conoce como reacciones termonucleares de fusión. Afortunadamente la fusión es un proceso que no contamina debido a que se produce muy pocos residuos radiactivos. La bomba de hidrógeno se basa en este proceso de fusión. Este material fue descargado para uso exclusivo de Esteban Vicencio, [email protected]. Se prohibe su reproducci—n. Si quieres acceder gratuitamente a este contenido 93visita www.psuparatodos.com

2.5.2.Fisión nuclear

La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos núcleos más pequeños. Este proceso se inicia cuando el núcleo pesado es impactado por un neutrón. El núcleo pesado absorbe dicho neutrón, pero se convierte en un núcleo inestable, como consecuencia de eso se divide en dos núcleos más pequeños, liberando neutrones como consecuencia de esto. Hablaremos de una reacción en cadena cuando los neutrones liberados de la fisión del uranio 235 pueden ser usados para bombardear otros núcleos de este isotopo, que a su vez producirán nuevos neutrones que serán usados para bombardear, y así sucesivamente. Este procedimiento de reacción nuclear en cadena fue usado en las bombas atómicas, para esto se necesitan materiales con un núcleo fisionables, tales como el uranio 235 o plutonio 239. Otra aplicación de la fisión son los reactores de fisión nuclear los que producen reacciones nucleares controladas. Estos son usados mayoritariamente para obtener energía.

2.6. Fuerzas nucleares

Las fuerzas nucleares son de corto alcance, pero muy fuertes, son del tipo atractivas y actúan entre todas las partes del núcleo atómico, siendo las responsables de que este se mantenga unido. A pesar de que los protones en el núcleo se repelen entre sí por la fuerza de Coulomb, estos se mantienen unidos debido a que las fuerzas nucleares son mayores. Este fenómeno se explica con los mesones. En el año 1935 Hideki Yukawa postulo la teoría de los mesones, esta teoría plantea que los nucleones generan alrededor de ellos un campo. La interacción a distancia que ocurre en el núcleo, fue descrita como un intercambio de mesones, dicha interacción ocurriría cuando los nucleones se encuentran separados por una distancia de m. Como consecuencia de la formulación de esta hipótesis Hideki obtiene el Premio Nobel de Física el año 1949.

10−


2.7. Resumen


2.8. Ejercicios PSU

1. Un isótopo tiene vida media de un año. ¿Qué fracción del material ha decaído luego de tres años? A) B) C) D) E)

Un octavo. Un sexto. Dos cuartos. Tres quintos. Siete octavos.

2. Con respecto al tema de fisión y fusión nuclear, ¿Cuál de las siguientes alternativas es correcta? A) B) C) D)

La fisión nuclear consiste en la unión de núcleos de hidrógeno. La fusión nuclear consiste en la separación de un núcleo en núcleos más pequeños. Los reactores nucleares utilizan principalmente fisión nuclear. Los núcleos de los átomos se mantienen unidos ya que los protones y neutrones tienen carga distinta. E) En la fusión nuclear la energía se conserva. 3. ¿Cuál de las siguientes alternativas es verdadera? I) II) III) A) B) C) D) E)

Un rayo alfa es un núcleo de He. Un rayo beta es un electrón. Un rayo gamma es un protón.

Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo I, II y III

4. ¿Cuál de las siguientes alternativas es falsa? I) II) III) A) B) C) D) E)

El experimento de Rutherford permitió demostrar la existencia del núcleo atómico. El modelo de Bohr permitió demostrar que la emisión de luz por un átomo se debe a un cambio de nivel energético en los electrones orbitales. El modelo de Thomson ordenaba el átomo con los electrones girando alrededor del núcleo.



5. ¿Cuál de las siguientes alternativas es verdadera? I) II) III) A) B) C) D) E)

El principio de incertidumbre establece que no sabemos cuándo un electrón ha dejado de girar alrededor de su núcleo. Einstein llegó postuló la relación entre masa y energía como producto de sus estudios de relatividad especial. La bomba atómica de Hiroshima fue una bomba de fisión en cadena.


6. Con respecto al modelo de Bohr a la emisión de luz por los átomos, es correcto afirmar: A) Se emite energía desde el núcleo por el cambio en su nivel de excitación. B) Es la emisión de radiación desde el núcleo y hacia el exterior debido a un cambio en la configuración de nucleones. C) Es la emisión de radiación debida a un cambio de nivel energético de los electrones orbitales. D) Es la emisión de energía debida a un cambio cuántico del número atómico. E) Es la emisión de radiación debida a una diferencia de carga. 7. ¿Por qué los componentes del núcleo de un átomo se mantienen unidos? A) Por las fuerzas nucleares y las eléctricas son atractivas. B) Por las fuerzas eléctricas repulsivas son menores que las de las fuerzas nucleares que la atraen. C) Por las fuerzas eléctricas y las nucleares son repulsivas. D) Por las fuerzas eléctricas repulsivas son de magnitudes mayores que las de las fuerzas nucleares atractivas. E) Por las fuerzas nucleares que son atractivas y las eléctricas son nulas.


8. En la historia de la humanidad han surgido diversas hipótesis respecto de la estructura del átomo. Estas hipótesis se expresan como modelos del átomo como la figura que se muestra a continuación:

¿Cuáles son los científicos que propusieron las estructuras de átomo 1, 2, 3, 4 y 5 respectivamente? A) B) C) D) E)

Dalton – Rutherford – Thomson – Bohr – Schrödinger Dalton – Thomson – Rutherford – Bohr – Schrödinger Schrödinger – Thomson – Rutherford – Bohr – Dalton Schrödinger – Rutherford – Thomson – Bohr – Dalton Dalton – Bohr – Rutherford – Thomson – Schrödinger

9. El helio en su estado neutro posee dos protones en su núcleo, y dos electrones en sus orbitales, esto significa que Z es igual a: A) B) C) D) E)

4 8 2 6 10


Física Libro 02 2016 Piloto

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