Fisica 2, 4ta edicion Resnick Halliday PDF

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FISICA Vol. 2 V ER SIÓ N A M PLIA D A C uarta edición www.FreeLibros.me TRADUCCIÓN Francisco Andión Uz Ingeniero M ecánico Electricista F acultad de Ingeniería UNAM REVISIÓN TÉCNICA Eduardo Ramírez Grycuk Profesor del Departam ento de M ateriales UAM A zcapotzalco www.FreeLibros.me FISICA Vol. 2 VER...

Description

FISICA Vol. 2 V ER SIÓ N A M PLIA D A C uarta edición

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TRADUCCIÓN Francisco Andión Uz Ingeniero M ecánico Electricista F acultad de Ingeniería UNAM

REVISIÓN TÉCNICA Eduardo Ramírez Grycuk Profesor del Departam ento de M ateriales UAM A zcapotzalco

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FISICA Vol. 2 VERSIÓN AMPLIADA Cuarta edición en inglés

Tercera edición en español

DAVID HALLIDAY Professor ofPhysics, Emeritus University ofPittsburgh

ROBERT RESNICK Professor ofPhysics Rensselaer Polytechnic lnstitute

KENNETH S. KRANE Professor ofPhysics Oregon State University

SEXTA REIMPRESIÓN MÉXICO, 1999

COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S. A DE C. V. MÉXICO

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Título original de la obra: PHYSICS, Vol. 2. Extended versión, 4th ed. ISBN 0-471-54804-9 Traducción autorizada por: Copyright © 1992, by John Wiley & Sons, Inc. Física Vol. 2. Versión ampliada Derechos reservados respecto a la tercera edición en español: © 1994, COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. de C.V. Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial. Registro núm. 43 ISBN 968-26-1255-1 (tercera edición) (ISBN 968-26-0324-2 segunda edición) (ISBN 968-26-0663-2 obra completa) Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electróni­ cas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México Printed in México Tercera edición: 1994 Quinta reimpresión: 1998 Sexta reimpresión: 1999

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PRÓLOGO A LA CUARTA EDICIÓN DEL VOLUMEN 2 VERSIÓN AMPLIADA

La primera edición de Física para estudiantes de ciencias e ingeniería apareció en 1960; la edición más reciente (la tercera), llamada simplemente Física, fue publicada en 1977. La cuarta edición actual (1992) marca la adición de un nuevo coautor para el texto. El texto se ha actualizado para incluir los nuevos desa­ rrollos en física y en su pedagogía. Basado en parte en nuestra lectura de la literatura sobre estos temas, en parte sobre los comentarios de numerosos usuarios de las edi­ ciones anteriores, y en parte en el consejo de un grjupo dedicado de revisores del m anuscrito de esta edición, hemos hecho un núm ero de cambios. 1. Este volum en sigue el tratamiento coherente de la energía que comenzó en los capítulos 7 y 8 y continúa a través del tratamiento de la termodinámica en el Volu­ m en 1. Las convenciones del signo para el trabajo y el m anejo de la energía (por ejemplo, la eliminación de los términos pobremente definidos, como la “energía térm i­ ca”) son consistentes en todo el texto. 2. A lo largo del texto se integra la relatividad especial, que fue tratada como un tema complementario en la edición anterior. Se dedican dos capítulos a la relatividad especial: uno de ellos (en el Volum en 1) trata de las ondas m ecánicas y el otro (en el Volum en 2) trata de las on­ das electromagnéticas. Los tem as relacionados con la re­ latividad especial (por ejemplo, el movimiento relativo, los marcos de referencia, el ímpetu y la energía) se tratan en los capítulos sobre cinemática, mecánica y electromag­ netismo. Esta manera refleja nuestro punto de vista de que la relatividad especial debería tratarse como parte de la física clásica. Sin embargo, para los instructores que deseen postergar la relatividad especial hasta el final del

curso, el m aterial se incluye en secciones separadas que pueden fácilmente omitirse durante la prim era lectura. 3. Entre los cam bios en el orden de los tem as respecto de la tercera edición se encuentran el introducir el con­ cepto de la energía potencial eléctrica antes que el de la energía potencial, el de los m ateriales m agnéticos antes que el de la inductancia, y la ley de B iot-Savart antes de la ley de Ampére, El ím petu lineal de la radiación elec­ trom agnética se cambió del capítulo sobre la luz (42) a aquél sobre las ondas electrom agnéticas (41), y la re­ flexión por espejos planos se trata ahora en el capítulo que aborda la reflexión y refracción sobre superficies planas (43). El capítulo previo sobre las oscilaciones electrom agnéticas ha sido incorporado dentro del capí­ tulo sobre la inductancia (38). 4. Se han eliminado diversos temas, incluyendo los rec­ tificadores, los filtros, las guías de onda, las líneas de transmisión y la inductancia mutua. Tam bién hem os su­ primido el uso del vector de desplazamiento eléctrico D y la intensidad del campo m agnético H. 5. Esta versión ampliada del Volum en 2 incluye ocho capítulos (49 al 56) en los que se estudia la física cuántica y algunas de sus aplicaciones. Se agregó un nuevo capí­ tulo (56), que introduce la física de partículas y la cosm o­ logía, a aquéllos en la versión ampliada previa, y ha ocurrido una cierta diversificación de tem as en los capí­ tulos de física atómica (49 a 51). Se han “salpicado” otras aplicaciones modernas a lo largo del texto: por ejemplo, el efecto Hall cuantificado, los campos magnéticos de los planetas, pruebas recientes de la conservación de la carga, la superconductividad, los m onopolos m agnéticos y holografía. v

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Prólogo

6. Hemos aumentado sustancialmente el número de pro­ blemas al final de cada capítulo respecto a la edición previa del Volumen 2 ampliado: existen ahora 1486 pro­ blemas en comparación de 1222 anteriormente, un au­ mento del 22%. Similarmente, el número de preguntas al final de los capítulos se aumentó de 811 a 1027 (27%). Hemos procurado mantener la calidad y diversidad de los problemas que ha sido la característica principal de las anteriores ediciones de este texto. 7. El número de ejemplos resueltos en el Volumen 2 promedia entre seis y siete por capítulo, aproximadamente igual al de la edición anterior. Sin embargo, la edición anterior empleaba los ejemplos resueltos para presentar material nuevo (como las combinaciones en paralelo y en serie de resistores o de capacitores), los cuales se presen­ tan en esta edición como subsecciones principales del texto en lugar de ejemplos resueltos. A causa de que ahora empleamos los ejemplos resueltos (llamados aquí problemas muestra) únicamente para ilustrar aplicaciones de material desarrollado en el texto, esta edición ofrece realmente a los estudiantes mucho más de tales ejemplos. 8. En varios de los ejemplos resueltos se presentan téc­ nicas de computación, así como una variedad de proyectos para la computadora al final del capítulo. Se ofrecen ciertos listados de programas en un apéndice para ani­ mar a los estudiantes a adaptar esos métodos a otras aplicaciones. 9. Hemos aumentado y actualizado las referencias a artículos en la literatura que aparecen como notas al pie de la página en todo el texto. Ciertas referencias (a menu­ do a artículos en revistas populares como Scientific Ame­ rican) intentan ampliar los conocimientos del estudiante por medio de aplicaciones interesantes de un tema. En otros casos, incluyendo a menudo puntos de importancia pedagógica a los cuales deseamos llamar la atención tanto de los estudiantes como de los instructores, hacemos referencia a artículos en publicaciones tales como Ameri­ can Journal ofPhysics o The Physics Teacher. 10. Todas las ilustraciones se rehicieron y su número en el Volumen 2 ampliado aumentó en un 26%, de 664 a 835. Hemos añadido intensidades a muchos de los dibujos donde éstas resaltan la claridad o la pedagogía. 11. Muchas de las deducciones, pruebas y argumen­ tos de la edición previa se han formalizado, y cualquier suposición o aproximación ha sido clarificada. Asimismo hemos mejorado el rigor del texto sin elevar necesaria­ mente su nivel. Nos ha preocupado indicar a los estudian­ tes el límite de validez de un argumento en particular y animarlos a considerar cuestiones como: ¿Un resultado en particular se aplica siempre o sólo algunas veces? ¿Qué sucede conforme vamos hacia el cuanto o el límite relativista?

Si bien hemos hecho algunos esfuerzos para eliminar material de la edición anterior, las adiciones antes men­ cionadas contribuyen a un texto de longitud creciente. Debe destacarse que pocos (si alguno) instructores de­ searán seguir todo el texto desde el principio hasta el final. Hemos laborado para desarrollar un texto que ofrece una introducción a la física estricta y completa, pero el instructor es capaz de seguir muchos caminos altemos a lo largo del texto. El instructor que desee tratar pocos tópicos con mayor profundidad (un enfoque comúnmente denominado como “lo menos por lo más”) será capaz de seleccionar esos caminos. Ciertas secciones están explí­ citamente marcadas como “opcional” (y están impresas en un tipo de letra más pequeño), indicando que pueden omitirse sin que se pierda la continuidad. Dependiendo del diseño del curso, pueden pasarse por alto o tratarse su­ perficialmente otras secciones o incluso capítulos enteros. En tales circunstancias, el estudiante curioso que desee un estudio mayor puede animarse independientemente a abordar los temas omitidos, ganando por ello una visión más amplia del tema. El instructor está, pues, provisto con una elección amplia de qué grupo reducido de temas en particular ha de cubrir en un curso de cualquier longitud dada. Para los instructores que deseen una cobertura más plena, como en cursos para mayores en física o estudiantes o en cursos de longitud mayor de un año, este texto proporciona el material adicional necesario para una ex­ periencia retadora y amplia. Esperamos que el texto se considere como si fuese un mapa a través de la física; pueden tomarse muchos caminos, escénicos o directos, y no todos necesitan ser recorridos en una primera jomada. El viajero avanzado puede animarse a retomar al mapa para explorar áreas dejadas de lado en jomadas anteriores. El texto está disponible como volúmenes por separado: el Volumen 1 (capítulos 1 al 26) cubre la cinemática, la mecánica y la termodinámica, y el Volumen 2 (capítulos 27 al 48) cubre el electromagnetismo y la óptica. Está también disponible una versión ampliada del Volumen 2 (capítulos 27 al 56) con ocho capítulos adicionales que presentan una introducción a la física del cuanto y algunas de sus aplicaciones. Un libro de texto contiene muchas más contribuciones a la dilucidación de un sujeto que las hechas por los autores solamente. Hemos tenido la fortuna de contar con la ayuda de Edward Derringh (Wentworth Institute of Technology) para preparar los juegos de problemas y de J. Richard Christman (U. S. Coast Guard Academy) para la preparación de la Guía del Instructor y de los proyectos de computación. Nos hemos beneficiado con los comen­ tarios a cada capítulo y la crítica de un grupo dedicado de revisores: Robert P. Bauman (Universidad de Alabama) Traman D. Black (Universidad de Texas, Arlington) Edmond Brown (Instituto Politécnico Rensselaer)

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Prólogo J. Richard Christman (U. S. Coast Guard Academy) Sumner Davis (Universidad de California, Berkeley) Roger Freedman (Universidad de California, Santa Bárbara) James B. Gerhart (Universidad de Washington) Richard Thompson (Universidad del Sur de California) David Wallach (Universidad del Estado de Pennsylvania) Roald K. Wangsness (Universidad de Arizona)

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sora editorial Deborah Herbert, a la diseñadora Karin Kincheloe, a la supervisora de producción Lucille Bounocore, a la investigadora de fotografías Jennifer Atkins y a la editora de copias Christina Della Bartolomea. El procesamiento de palabras del manuscrito para esta edi­ ción fue llevado a cabo estupendamente por Christina Godfrey. Mayo 1992

D a v id H a l l id a y

Seattle, Washington Estamos profundamente obligados con estas personas por sus sustanciales contribuciones a este proyecto. Estamos agradecidos al personal de John W iley & Sons por su notable cooperación y apoyo, incluyendo al editor de física C liff M ills, a la asistente del progra­ ma editorial Cathy Donovan, a la gerente de mercadeo Cathy Faduska, al ilustrador John Balbalis, a la supervi-

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R o b e r t R e s n ic k

Rensselaer Polytechnic Institute Troy, New York 12180-3590 K e n n e t h S. K r a n e

Oregon State University Corvallis, Oregon 97331

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CONTENIDO ■

CAPÍTULO 27 LA CARGA ELÉCTRICA Y LA LEY DE COULOMB 27-1 27-2 27-3 27-4 27-5 27-6

Electromagnetismo. Un estudio preliminar La carga eléctrica Conductores y aislantes La ley de Coulomb La carga está cuantizada La carga se conserva Preguntas y problem as

CAPÍTULO 28 EL CAMPO ELECTRICO 28-1 28-2 28-3 28-4 28-5

Campos El campo eléctrico E El campo eléctrico de las cargas puntuales Líneas de fuerza El campo eléctrico de las distribuciones de carga continua 28-6 Una carga puntual en un campo eléctrico 28-7 Un dipolo en un campo eléctrico Preguntas y problemas

1 1 2 3 4 7 9 10

15 15 16 17 20 22 26 29 32

CAPÍTULO 29 LA LEY DE GAUSS 29-1 29-2 29-3 29-4 29-5

El flujo de un campo vectorial El flujo del campo eléctrico La ley de Gauss Un conductor cargado aislado Aplicaciones de la ley de Gauss

41 43 45 47 50

29-6 Ensayos experimentales de la ley de Gauss y de la ley de Coulomb 29-7 El modelo nuclear del átomo (O pcional) Preguntas y problem as

CAPÍTULO 30 EL POTENCIAL ELÉCTRICO 30-1 30-2 30-3 30-4 30-5 30-6 30-7 30-8 30-9 30-10 30-11

La electrostática y las fuerzas gravitatorias Energía potencial eléctrica Potencial eléctrico Cálculo del potencial a partir del campo El potencial debido a una carga puntual Potencial debido a un conjunto de cargas puntuales El potencial eléctrico de las distribuciones de carga continua Superficies equipotenciales Cálculo del campo a partir del potencial Un conductor aislado El acelerador electrostático (O pcional) Preguntas y problemas

54 56 58

61

67 68 70 72 73 75 77 79 80 82 84 85

CAPÍTULO 31 CAPACITORES Y DIELECTRICOS 31-1 31-2 31-3 31-4

Capacitancia Cálculo de la capacitancia Capacitores en serie y en paralelo Almacenamiento de energía en un campo eléctrico 31-5 Capacitor con dieléctrico 31-6 Dieléctricos: un examen atómico

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95 95 96 99 101 103 105

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Contenido

31-7 Los dieléctricos y la ley de Gauss Preguntas y problem as

107 109

CAPÍTULO 32 CORRIENTE Y RESISTENCIA

117 117 119 121 123 124

32-1 32-2 32-3 32-4 32-5 32-6

Corriente eléctrica Densidad de corriente Resistencia, resistividad y conductividad La ley de Ohm La ley de Ohm: una visión microscópica Transferencias de energía en un circuito eléctrico 32-7 Semiconductores (Opcional) 32-8 Superconductividad (O pcional) Preguntas y problemas

126 127 129 130

CAPÍTULO 33 CIRCUITOS I)E CORRIENTE CONTINUA

137

33-1 Fuerza electromotriz 33-2 Cálculo de la corriente en un circuito cerrado simple 33-3 Diferencias de potencial 33-4 Resistores en serie y en paralelo 33-5 Circuitos de mallas múltiples 33-6 Instrumentos de m edición 33-7 Circuitos RC Preguntas y problem as

CAPITULO 34 EL CAMPO MAGNETICO

35-1 La ley de Biot-Savart

36-1 36-2 36-3 36-4 36-5 36-6 36-7

137 139 140 142 144 147 148 151

Aplicaciones de la ley de Biot y Savart Las líneas de B Dos conductores paralelos La ley de Ampére Solenoides y toroides El electromagnetismo y los marcos de referencia {Opcional) Preguntas y problem as

CAPITULO 36 LA LEY DE LA INDUCCIÓN DEFARADAY Los experimentos de Faraday La ley de inducción de Faraday La ley de Lenz Fem de movimiento o cinética Campos eléctricos inducidos El betatrón La inducción y el movimiento relativo (O pcional) Preguntas y problemas

CAPÍTULO 37 PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA 37-1 37-2 37-3 37-4 37-5

159

34-1 El campo magnético B 34-2 La fuerza m agnética sobre una carga en m ovimiento 34-3 Cargas circulantes 34-4 El efecto Hall 34-5 La fuerza magnética sobre una corriente 34-6 Momento de torsión en una espira de corriente 34-7 El dipolo magnético Preguntas y problemas

CAPÍTULO 35 LA LEY DE AMPERE

35-2 35-3 35-4 35-5 35-6 35-7

La ley de Gauss para el magnetism o Magnetismo atómico y nuclear Magnetización Materiales m agnéticos El magnetismo de los planetas (O pcional) Preguntas y problemas

189 193 193 195 197 200 201

211 211 212 214 215 218 221 222 225

237 237 239 242 244 247 250

159 160 164 169 172 174 176 177

187 187

CAPITULO 38 LA INDUCTANCIA 38-1 38-2 38-3 38-4

Inductancia Cálculo de la inductancia Circuitos LR Almacenamiento de energía en un campo m agnético 38-5 Oscilaciones electromagnéticas: análisis cualitativo 38-6 Oscilaciones electromagnéticas: análisis cuantitativo 38-7 Oscilaciones amortiguadas y forzadas Preguntas y problem as

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255 255 256 258 261 264 266 268 270

Contenido

CAPÍTULO 39 CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

279

Corrientes alternas Tres elementos por separado Circuito RLC de una sola malla Potencia en los circuitos de CA El transform ador (O pcional) Preguntas y problem as

279 280 283 286 288 289

CAPÍTULO 40 ECUACIONES DE MAXWELL

297

39-1 39-2 39-3 39-4 39-5

40-1 Ecuaciones básicas del electromagnetismo 40-2 Campos magnéticos inducidos y la corriente de desplazamiento 40-3 Ecuaciones de M axwell 40-4 Ecuaciones de M axwell y oscilaciones en cavidades (O pcional) Preguntas y problem as

297 298 301 303 306

CAPÍTULO 43 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN EN SUPERFICIES PLANAS 43-1 43-2 43-3 43-4

Óptica geométrica y óptica ondulatoria Reflexión y refracción Deducción de la ley de la reflexión Formación de imágenes en espejos planos 43-5 Deducción de la ley de la refracción 43-6 Reflexión interna total Preguntas y problemas

CAPÍTULO 44 ESPEJOS Y LENTES ESFÉRICOS 44-1 44-2 44-3 44-4 44-5

Espejos esféricos Superficies esféricas refringentes Lentes delgadas Sistemas ópticos compuestos Instrumentos ópticos Preguntas y problem as

CAPÍTULO 45 INTERFERENCIA CAPÍTULO 41 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 41-1 41-2 41-3 41-4

El espectro electromagnético Generación de una onda electromagnética Ondas viajeras y las ecuaciones de Maxwell Transporte de energía y el vector de Poynting 41-5 ím petu y presión de la radiación (Opcional) Preguntas y problemas

311 311 315 317 320 322 324

CAPITULO 42 LA NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ 331 42-1 42-2 42-3 42-4

La luz visible La velocidad de la luz El efecto Doppler en la luz Deducción del efecto Doppler relativista (Opcional) 42-5 Consecuencias del efecto Doppler relativista (O pcional) Preguntas y problem as

331 332 336 338 340 341

45-1 Interferencia por una rendija doble 45-2 Coherencia 45-3 Intensidad de la interferencia por una rendija doble 45-4 Interferencia en películas delgadas 45-5 Reversibilidad óptica y cambios de fase en la reflexión (Opcional) 45-6 El interferómetro de M ichelson 45-7 El interferómetro de M ichelson y la propagación de la luz (O pcional) Preguntas y problem as

CAPÍTULO 46 DIFRACCIÓN 46-1 Difracción y teoría ondulatoria de la luz 46-2 Difracción por una sola rendija 46-3 Intensidad de la difracción por una sola rendija 46-4 Difracción por una abertura circular 46-5 Interferencia por una rendija doble y difracción combinadas Preguntas y problem as

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347 347 348 352 354 356 359 361

369 369 375 377 383 384 387

395 395 399 401 404 407 408 409 411