ELECTROSTÁTICA EJERCICIOS RESUELTOS PDF

APRENDIZAJES ESPERADOS 

☛ Conocer el concepto de carga eléctrica, y analizar los fenómenos relacionados con las partículas electrizadas. 

☛ Conocer las leyes de la electrostática , como la de coulomb por ejemplo

¿QUÉ ES LA ELECTROSTÁTICA ? 

La electrostática es la rama de la Física que estudia todos los fenómenos en los que las cargas eléctricas son los agentes principales de los cambios pero en los que aquellas se mantienen en estado de reposo.

• CLIC AQUÍ Ver CARGA ELÉCTRICA - ELECTROSTÁTICA I
• Ver FUERZA ELÉCTRICA O LEY DE COULOMB - ELECTROSTÁTICA II
• Ver CAMPO ELÉCTRICO - ELECTROSTÁTICA III
• Ver POTENCIAL ELÉCTRICO Y ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA
• Ver CAPACITORES O CONDENSADORES ELÉCTRICOS

ELECTRICIDAD 

Es el efecto que produce los electrones al trasladarse de un punto a otro. 

La palabra electricidad proviene del término elektron (en griego electrón) que significa ámbar. 

ELECTRIZACIÓN 

Realicemos una experiencia muy simple frotemos una hoja de papel y luego acerquémosla a trocitos de papel o a un fino de hilo de agua, notaremos que se da un fenómeno de atracción; estos hechos permiten afirmar que el vidrio al ser frotado adquiere la capacidad de atraer cuerpos ligeros. 

Fenómenos similares fueron descubiertos en la antigüedad (aproximadamente 600 años antes de nuestra era) por los griegos, cuando frotaban el ámbar, con lana y luego podía atraer pedacitos de tela o paja. Ámbar en griego se traduce como elektrón, de donde se origina la denominación

El continuo y acelerado avance en los últimos 100 años de nuestro conocimiento sobre las propiedades eléctricas de la materia ha sido un factor muy importante en los progresos tecnológicos de nuestra era.

Si observamos a nuestro alrededor, podemos apreciar que vivimos en un mundo completamente electrificado. Buena parte de los equipos y mecanismos que utilizamos dependen para su funcionamiento de la energía eléctrica. 

Podríamos decir que una de las características de nuestra civilización es que utiliza extensamente la energía eléctrica, aunque su uso no sea todo lo racional o eficaz como debiera ser. 

No debe sorprendernos que la energía eléctrica juegue un papel importante en nuestra vida diaria si consideramos el hecho de que los átomos y las moléculas que constituyen la materia están compuestas de partículas con carga eléctrica, que forman estructuras estables gracias a las fuerzas eléctricas que existen entre ellas. 

Para saber aprovechar la energía eléctrica y entender la estructura de átomos y moléculas, debemos empezar por estudia las leyes básicas de la interacción eléctrica, a fin de conocer cómo se influyen mutuamente las partículas electrizadas.

PRACTICA PROPUESTA

PROBLEMA 1 :

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

A) 112C 

B) 200C 

C) 150C 

D) 300C 

E) 224C 

Rpta. : "E"

PROBLEMA 2 :

Halla el valor de la carga de un cuerpo que posee 10²⁰ electrones en defecto. 

A) 8C 

B) 12C 

C) 32C 

D) 16C 

E) 20C 

Rpta. : "D"

PROBLEMA 3 :

Halla cuántos electrones ha ganado un cuerpo para que su carga sea –8C. 

A) 5×10¹⁸

B) 10¹⁹

C) 5x10¹⁹

D) 5×10¹⁶

E) 5×10²⁰

Rpta. : "C"

PROBLEMA 4 :

Indique la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: 

I)  La carga eléctrica es una cantidad física fundamental en cualquier sistema de unidades. 

II) La carga eléctrica es una cantidad física de naturaleza escalar. 

III) El número de cargas elementales negativas y positivas que tiene un cuerpo neutro es el mismo. 

IV) Un trozo de vidrio es frotado con lana quedando cargado eléctricamente, luego el vidrio es puesto en contacto con tierra la cual le suministra electrones. 

A) VFFV 

B) VVFV 

C) FFFV 

D) VFVF 

E) VVVV 

Rpta. : "E"

PROBLEMA 5 :

Si una esfera conductora es tocada por una barra cargada positivamente, la esfera adquiere una carga de 4nC. Calcule el número de cargas elementales o fundamentales que son transferidas debido al contacto. 

A) La esfera gana 25×10⁹ protones 

B) La esfera pierde 50×10⁹ electrones 

C) La esfera pierde 25×10⁹ electrones 

D) La esfera gana 25×10¹⁸ protones 

E) La esfera gana 25×10⁹ electrones 

Rpta. : "C"

PROBLEMA 6 :

Con un electroscopio descargado se efectúan las siguientes acciones sucesivas: 

I) Se le acerca un cuerpo cargado negativamente (sin tocarlo). 

II) Sin retirar el cuerpo, se conecta el electroscopio a tierra por unos momentos, desconectándolo luego. 

III) Se retira el cuerpo cargado negativamente. Al final de estas operaciones, el electroscopio queda: 

A) Cargado negativamente 

B) Descargado 

C) Cargado positivamente 

D) No se puede predecir el resultado 

E) El tipo de carga depende del material del que está hecho el electroscopio. 

Rpta. : "C"

PROBLEMA 7 :

Dos esferas metálicas idénticas electrizadas con Q₁=–0,5nC y Q₂= +0,1nC son acercados hasta el contacto. Si después del contacto quedan electrizados con iguales cantidades de carga, determine dichas cargas finales. 

A) –0,2nC 

B) 0,3nC 

C) 0,4nC 

D) 0,1nC 

E) 1nC 

Rpta. : "A"

PROBLEMA 8 :

Un estudiante realiza un experimento para medir la carga eléctrica de 4 cuerpos.

Los siguientes son sus resultados experimentales: 

Q₁=2,4×10−¹⁹C

Q₂=11,2×10−¹⁹C 

Q₃=8,8×10−¹⁹C

Q₄= 8,0×10−¹⁹C 

¿Cuáles de las mediciones diría Ud. que no son compatibles con sus conocimientos teóricos? (Carga el electrón = 1,6×10−¹⁹C) 

A) Q₁ y Q₃ 

B) Q₃ y Q₄

C) Q₁ y Q₂ 

D) Q₂ y Q₄ 

E) Q₁ y Q₄ 

Rpta. : "A"

PROBLEMA 9 :

Una pequeña placa de zinc eléctricamente neutra, es irradiada con luz ultravioleta (UV) hasta que adquiere una cantidad de carga de 3,2×10−¹⁸ C. 

¿Ganó o perdió electrones? 

¿Cuál fue la cantidad de electrones que se transfirieron? 

A) Ganó 20 e– 

B) Perdió 30 e–

C) Ganó 30 e– 

D) Perdió 20 e– 

Rpta. : "D"

PROBLEMA 10 :

Una esfera metálica de 10 cm de radio tiene una carga eléctrica negativa de 10mC, ¿cuántos electrones en exceso hay en cada cm² de la superficie? 

A) 10 

B) 10¹⁰ 

C) 5×10¹⁰ 

D) 2×10¹⁹

E) 5×10¹⁹ 

Rpta. : "C"

PROBLEMA 11 :

Respecto a un conductor en equilibrio electrostático, señale la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: 

I) Cualquier carga en exceso que posea el conductor debe residir enteramente en la superficie del mismo. 

II) En un conductor de forma irregular la carga tiene acumularse en regiones cóncavas. 

III) La densidad de carga superficial puede variar de un punto a otro de la superficie. 

A) VVV 

B) FVF 

C) FFF 

D) VFF 

E) VFV 

Rpta. : "E"

PROBLEMA 12 :

Se tiene dos cargas de 5μC y –4μC separadas por una distancia de 3cm. Calcula la fuerza de atracción entre ellas. 

A) 2N 

B) 12N 

C) 20N 

D) 120N 

E) 200N 

Rpta. : "E"

PROBLEMA 13 :

La fricción tiene ciertos efectos eléctricos sobre el cuerpo; por ejemplo, al peinarnos o caminar descalzo sobre la alfombra nos electrizamos por frotamiento o contacto. Si un peine luego de ser frotado se electriza con –128μC, indique la cantidad de electrones transferidos. 

A) 2×10¹² 

B) 8×10¹⁴ 

C) 9×10¹⁵ 

D) 5×10¹⁶ 

Rpta. : "B"

PROBLEMA 14 : 

Desde el punto de vista eléctrico podemos clasificar los cuerpos en dos categorías: aquellos que al ser frotados se comportan como el vidrio, o eléctricamente vítreos con carga positiva, o aquellos que al ser frotados se comportan como la resina o eléctricamente resinosos con carga negativa. Considere dos esferas puntuales de vidrio y resina con 20μC y – 30μC. Si se las separa 30 cm, ¿cuál será la fuerza eléctrica ejercida por ambos en kN? 

A) 50 

B) 60 

C) 80 

D) 90 

Rpta. : "B"

PROBLEMA 15 :

Dos cargas puntuales Q₁ y Q₂, separadas a una distancia r, se atraen con una cierta fuerza. Suponga que el valor de Q₁ se duplica y el de Q₂ se divide entre 8, ¿cuál será la distancia entre las cargas para que dicha fuerza permanezca invariable? 

A) r 

B) 2r 

C) r/2 

D) r/3 

Rpta. : "C"

CARGA Y CUERPO ELECTRIZADO 

Las observaciones sobre la atracción eléctrica se remontan a la Grecia antigua. El filósofo griego Thales de Mileto (640–546 a.C.) observó que cuando se frotaba el ámbar (elektron en griego), éste atraía objetos ligeros tales como plumas o astillas, similar a lo que observamos cuando frotamos un lapicero en una prenda de vestir y lo acercamos a pequeños pedazos de papel (esta atracción se confundió frecuentemente con la atracción magnética del hierro por la piedra imán).

Cuando el físico inglés William Gilbert (1540–1603) estudió sistemáticamente los efectos eléctricos y magnéticos demostró que muchas sustancias distintas al ámbar adquieren una propiedad atractiva cuando se frotan. 

Fue uno de los primeros que entendió claramente la diferencia entre esta atracción eléctrica y la magnética.

Alrededor de 1729 el inglés Sthephen Gray descubrió que la propiedad de atracción y repulsión eléctrica pueden transferirse de un cuerpo a otro si ambos se conectan mediante determinadas sustancias, en especial metales. 

Este descubrimiento fue de gran importancia, puesto que hasta antes de eso sólo se podía electrizar un objeto por medio de frotación. El descubrimiento de la conducción eléctrica implicaba también que la electricidad tiene una existencia por sí misma y no es solamente una propiedad impuesta al cuerpo por el frotamiento.

Posteriores estudios acerca de la estructura de la sustancia determinaron que su composición es por moléculas y éstas a su vez por átomos unidos entre sí por fuerzas eléctricas. 

Al desarrollarse la teoría atómica se logra establecer que está compuesto por “partículas elementales” llamadas protones, neutrones (que forman el núcleo atómico) y electrones (alrededor del núcleo conformando la nube electrónica). Estas partículas elementales están unidas por fuerzas entre ellas; de carácter eléctrico entre los electrones y protones de carácter nuclear en los nucleones. A esta propiedad inherente que tienen los electrones y protones de interactuar se le llama carga eléctrica. 

LA ELECTROSTÁTICA 

Alrededor del 600 a.d.C. el filósofo griego Tales de Mileto describió por primera vez fenómenos electrostáticos producidos al frotar fragmentos de ámbar y comprobar su capacidad de atracción sobre pequeños objetos. 

Algo más tarde, otro griego, Teofrasto (310 a.d.C.), realizó un estudio de los diferentes materiales que eran capaces de producir fenómenos eléctricos escribiendo el primer tratado sobre la electricidad.

A comienzos del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la navegación con brújulas magnéticas. 

El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad del griego elektron (ámbar). Alrededor de 1672 el físico alemán Otto von Guericke construye la primera máquina electrostática capaz de producir y almacenar energía eléctrica estática por rozamiento. 

En 1673 el francés Francois de Cisternay du Fay propuso la existencia de dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa, una propuesta frecuentemente atribuida también a Benjamín Franklin.

LA BOTELLA DE LEYDEN 

En 1746, Pieter van Musschenbroek, que trabajaba en la universidad de Leyden, efectuó una experiencia para comprobar si una botella llena de agua podía conservar cargas eléctricas. Esta botella consistía en un recipiente con un tapón al cual se le atraviesa una varilla metálica sumergida en el líquido. 

La varilla tiene una forma de gancho en la parte superior al cual se le acerca un conductor cargado eléctricamente. Durante la experiencia un asistente separó el conductor y recibió una fuerte descarga al aproximar su mano a la varilla.

Un año más tarde el británico William Watson, descubrió que aumentaba la descarga si la envolvía con una capa de estaño. Siguiendo los nuevos descubrimientos, Jean Antoine Nollet tuvo la idea de reemplazar el líquido por hojas de estaño, quedando de entonces esta configuración de la botella que se utiliza actualmente para experimentos. Watson pudo transmitir una descarga eléctrica de manera espectacular produciendo una chispa eléctrica desde una botella de Leyden a un cable metálico que atravesaba el río Támesis en 1747. 

Las botellas de Leyden eran utilizadas en demostraciones públicas sobre el poder de la electricidad. En ellas se producían descargas eléctricas capaces de matar pequeños ratones y pájaros.

LA CONTRIBUCIÓN DE COULOMB, GAUSS Y MAXWELL 

En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado en el que se describían por primera vez cuantitativamente las fuerzas eléctricas formulando las leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas. 

En su honor estas leyes se conocen con el nombre de ley de Coulomb. Esta ley junto con su elaboración matemática más sofisticada a través del teorema de Gauss y la derivación de los conceptos de campo eléctrico y potencial eléctrico describen la totalidad de los fenómenos electrostáticos.

Durante todo el siglo posterior se sucedieron avances significativos en el estudio de la electricidad, los fenómenos eléctricos producidos por cargas en movimiento en el interior de un material conductor. 

Finalmente en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemáticas.

• CLIC AQUÍ Ver PDF