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PROBLEMAS RESUELTOS Y PROPUESTOS DE

FÍSICA II. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA.

CAPÍTULO 1: CARGA ELÉCTRICA Y MATERIA.

Ing. Willians Medina.

Maturín, julio de 2018.

Capítulo 1.

Carga eléctrica y materia.

CONTENIDO. CONTENIDO. ...................................................................................................................... 2 PRESENTACIÓN. ............................................................................................................... 6 ACERCA DEL AUTOR. ..................................................................................................... 8 Algunas constantes fundamentales. .................................................................................. 10 1.1.- CARGAS ELÉCTRICAS. CUANTIZACIÓN DE LA CARGA. ............................... 10 Ejemplo 1.1. Problema 15 del Valdivieso. Página 12.................................................... 10 Ejemplo 1.2. Problema 22 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 723. ................. 10 Ejemplo 1.3. Problema 21 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 723. ................. 10 Ejemplo 1.4. Problema 01 del Córdova. Página 21. ...................................................... 11 Ejemplo 1.5. ................................................................................................................... 11 Ejemplo 1.6. ................................................................................................................... 11 Ejemplo 1.7. Problema 23 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 723. ................. 11 Ejemplo 1.8. Problema 2, Sección 23.1 del Serway. Séptima Edición. Página 666...... 11 Ejemplo 1.9. Problema 24 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 723. ................. 12 Ejemplo 1.10. Problema 1. Sección 25-2 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 583. ...................................................................................................... 12 Ejemplo 1.11. Guía de Ejercicios Prof. Amenayda Figueredo. UDOA. Periodo II-90. 12 Ejemplo 1.12. Problema 1 del Valdivieso. Página 1...................................................... 12 1.2.- DENSIDAD DE CARGA. ........................................................................................... 12 DENSIDAD DE CARGA LINEAL. .................................................................................... 13 Ejemplo 1.13. ................................................................................................................. 13 Ejemplo 1.14. Problema 13 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 757. ............... 14 Ejemplo 1.15. ................................................................................................................. 14 Ejemplo 1.16. ................................................................................................................. 15 Ejemplo 1.17. ................................................................................................................. 15 Ejemplo 1.18. ................................................................................................................. 16 Ejemplo 1.19. ................................................................................................................. 16 Ejemplo 1.20. Problema PP-2.02 del Figueroa. Página 65. ........................................... 17 Ejemplo 1.21. ................................................................................................................. 17 Ejemplo 1.22. ................................................................................................................. 18 Ejemplo 1.23. Modificación del Problema 15. Capítulo 24 del Serway. Séptima Edición. Página 687. Modificación del Problema PE-3.16 del Figueroa. Quinta Edición. Página 151...................................................................................................................... 18 Anillos. .............................................................................................................................. 19 Ejemplo 1.24. ................................................................................................................. 19 Ejemplo 1.25. ................................................................................................................. 20 Ejemplo 1.26. Guía de Ejercicios Prof. Amenayda Figueredo. UDOA. Periodo II-90. Problema 32 del Córdova. Página 37............................................................................. 20 Ejemplo 1.27. ................................................................................................................. 21 Ejemplo 1.28. Modificación del Problema 53, Sección, Capítulo 23 del Serway. Séptima Edición. Página 671. ........................................................................................ 21 Física II. Ing. Willians Medina.

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Capítulo 1.

Carga eléctrica y materia.

DENSIDAD DE CARGA SUPERFICIAL. ......................................................................... 22 Láminas rectangulares y cuadradas. .................................................................................. 22 Ejemplo 1.29. ................................................................................................................. 22 Ejemplo 1.30. Problema 65 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 22 Ejemplo 1.31. Raymond Serway. .................................................................................. 23 Ejemplo 1.32. Problema 60 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 23 Discos. ............................................................................................................................... 23 Ejemplo 1.33. ................................................................................................................. 23 Ejemplo 1.34. Problema 54 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 798. ............... 24 Ejemplo 1.35. ................................................................................................................. 25 Ejemplo 1.36. ................................................................................................................. 25 Ejemplo 1.37. Problema 53 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 797. Guía de Ejercicios Prof. Amenayda Figueredo. UDOA. Periodo II-90. ..................................... 25 Ejemplo 1.38. ................................................................................................................. 26 Ejemplo 1.39. ................................................................................................................. 26 Esferas. .............................................................................................................................. 27 Ejemplo 1.40. Problema 38 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 759. ............... 27 Cáscaras semiesféricas. ..................................................................................................... 27 Ejemplo 1.41. Problema 26. Sección 27-6 del Resnick – Halliday - Krane. Quinta Edición. Página 630. ...................................................................................................... 28 Ejemplo 1.42. Problema 27. Sección 27-6 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 630. ...................................................................................................... 28 Ejemplo 1.43. Problema 14 del Córdova. Página 29. .................................................... 28 Ejemplo 1.44. ................................................................................................................. 29 Ejemplo 1.45. ................................................................................................................. 29 DENSIDAD DE CARGA VOLUMÉTRICA. ..................................................................... 30 Cilindros. ........................................................................................................................... 30 Ejemplo 1.46. Problema 51 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 759. ............... 32 Ejemplo 1.47. Raymond Serway. .................................................................................. 32 Ejemplo 1.48. ................................................................................................................. 32 Ejemplo 1.49. ................................................................................................................. 32 Ejemplo 1.50. Cilindro macizo con carga no homogénea. Modificación del Problema PR-3.13 del Figueroa. Página 122. ................................................................................ 33 Ejemplo 1.51. Modificación del Problema 58. Capítulo 24 del Serway. Séptima Edición. Página 691. ...................................................................................................... 33 Ejemplo 1.52. Modificación del Problema PR-3.13 del Figueroa. Quinta Edición. Página 122...................................................................................................................... 34 Ejemplo 1.53. Guía de Ejercicios Prof. Amenayda Figueredo. UDOA. Periodo II-90. 34 Ejemplo 1.54. Problema PP-3.04 del Figueroa. Página 105. ......................................... 35 Ejemplo 1.55. ................................................................................................................. 35 Relación entre la densidad de carga volumétrica y la densidad de carga lineal................ 36 Ejemplo 1.56. Problema 54 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 36 Ejemplo 1.57. Problema 55 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 36 Física II. Ing. Willians Medina.

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Capítulo 1.

Carga eléctrica y materia.

Ejemplo 1.58. Problema 57 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 36 Esferas. .............................................................................................................................. 37 Ejemplo 1.59. Problema 39 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 759. ............... 38 Ejemplo 1.60. Resnick – Halliday – Krane. .................................................................. 38 Ejemplo 1.61. Raymond Serway. .................................................................................. 38 Ejemplo 1.62. Modificación del Problema PP-3.08 del Figueroa. ................................ 38 Ejemplo 1.63. Problema 42 del Tipler. Sexta Edición. Página 759. .............................. 39 Ejemplo 1.64. ................................................................................................................. 39 Ejemplo 1.65. Problema 17. Capítulo 27 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 633. ...................................................................................................... 40 Ejemplo 1.66. ................................................................................................................. 40 Ejemplo 1.67. ................................................................................................................. 40 Ejemplo 1.68. Problema 43 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 759 ................ 40 Ejemplo 1.69. Modificación del Problema PR-3.18 del Figueroa. Página 128. ............ 41 Ejemplo 1.70. Problema 44 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 759. ............... 41 Ejemplo 1.71. Problema 13 del Córdova. Página 29. .................................................... 42 Ejemplo 1.72. Diógenes Figueroa.................................................................................. 42 Ejemplo 1.73. ................................................................................................................. 42 Ejemplo 1.74. Modelo de cargas en un núcleo atómico. Problema PR-3.16 del Figueroa. Página 125. .................................................................................................... 43 Ejemplo 1.75. Problema 73 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 761. Diógenes Figueroa. ........................................................................................................................ 43 Ejemplo 1.76. ................................................................................................................. 43 1.3.- CONDUCTORES. ....................................................................................................... 44 Ejemplo 1.77. Modificación del problema 4. Sección 27-4 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 629................................................................................ 45 Esferas. .............................................................................................................................. 45 Ejemplo 1.78. Raymond Serway. .................................................................................. 45 Ejemplo 1.79. ................................................................................................................. 46 Ejemplo 1.80. ................................................................................................................. 46 Ejemplo 1.81. Problema 61 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 47 Ejemplo 1.82. Problema 40 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 759. ............... 47 Ejemplo 1.83. Modificación del Problema 47. Capítulo 24 del Serway. Séptima Edición. Página 689. Modificación de Problema PR-3.17 del Figueroa. Quinta Edición. Página 127...................................................................................................................... 47 Ejemplo 1.84. Modificación de Pregunta 11 y Problema 44. Capítulo 24 del Serway. Séptima Edición. Páginas 686 y 689. ............................................................................ 48 Ejemplo 1.85. Problema PR-3.06 del Figueroa. Página 90. .......................................... 49 Ejemplo 1.86. ................................................................................................................. 50 Ejemplo 1.87. Modificación del problema 4. Capítulo 27 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 631................................................................................ 50 Ejemplo 1.88. Raymond Serway. .................................................................................. 51 Física II. Ing. Willians Medina.

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Capítulo 1.

Carga eléctrica y materia.

Ejemplo 1.89. Problema 19. Capítulo 27 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 630. ...................................................................................................... 51 Ejemplo 1.90. Problema 66 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760. ............... 52 Cilindros. ........................................................................................................................... 52 Ejemplo 1.91. ................................................................................................................. 52 Ejemplo 1.92. ................................................................................................................. 53 Ejemplo 1.93. Modificación del Problema 53 del Tipler – Mosca. Sexta Edición. Página 760...................................................................................................................... 53 Ejemplo 1.94. Modificación del problema 5. Capítulo 27 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 631................................................................................ 54 Ejemplo 1.95. ................................................................................................................. 55 Ejemplo 1.96. Modificación del Problema 39. Sección 24.4 del Serway. Séptima Edición. Página 689. ...................................................................................................... 55 Ejemplo 1.97. Modificación del problema 7. Capítulo 27 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 632................................................................................ 56 Ejemplo 1.98. ................................................................................................................. 56 Ejemplo 1.99. Problema 18. Capítulo 27 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 633. ...................................................................................................... 57 Ejemplo 1.100. Modificación del problema 18. Sección 27-5 del Resnick – Halliday – Krane. Quinta Edición. Página 630................................................................................ 57 BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................... 59 TÍTULOS DE LA SERIE PROBLEMAS RESUELTOS Y PROPUESTOS DE ELECTRICIDAD (FÍSICA II). ......................................................................................... 60 OBRAS DEL MISMO AUTOR. ....................................................................................... 61

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Capítulo 1.

Carga eléctrica y materia.

PRESENTACIÓN. El presente es un Manual de Ejercicios de Física II (Electricidad) para estudiantes de Ingeniería, Ciencia y Tecnología dictada en las carreras de Ingeniería Ambiental, Civil, de Computación, Eléctrica, Electrónica, Industrial, Mecánica, de Petróleo, de Sistemas y Química de reconocidas Universidades en Venezuela y Latinoamérica. El material presentado no es en modo alguno original, excepto la solución de algunos ejemplos con una metodología que ofrece mejor comprensión por parte del estudiante así como la inclusión de las respuestas a ejercicios seleccionados y su compilación en atención al contenido programático de la asignatura y al orden de dificultad de los mismos. Dicho manual ha sido elaborado tomando como fuente la bibliografía especializada en la materia y citada al final de la obra, por lo que el crédito y responsabilidad del autor sólo consiste en la organización y presentación en forma integrada de información existente en la literatura. Este manual, cuyo contenido se limita al estudio de la carga eléctrica y la materia, contiene los fundamentos teóricos, 100 ejercicios resueltos paso a paso, y es ideal para ser utilizada por estudiantes autodidactas y/o de libre escolaridad (Universidad Abierta) y por estudiantes que están tomando un curso universitario de Física II o Electricidad, así como por profesores que estén impartiendo clases en el área de enseñanza de Física II o Electricidad para estudiantes de Ingeniería, Ciencia y Tecnología. Los conocimientos previos requeridos para abordar los temas incluidos en este manual son: dimensiones y unidades relativas a carga eléctrica y masa, conversión de unidades, prefijos para potencias de diez (micro, nano, kilo, etc), composición de la materia y características de las partículas elementales (protones, neutrones y electrones), propiedades de la materia (masa, carga eléctrica, densidad, conductividad eléctrica, entre otras), fórmulas básicas de geometría (área de un rectángulo y un disco, volumen de sólidos regulares tales como cilindros y esferas) y cálculo de integrales indefinidas y definidas. Física II. Ing. Willians Medina.

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Capítulo 1.

Carga eléctrica y materia.

El concepto de carga eléctrica es fundamental en el estudio de la Electricidad, pues es la base de algunas definiciones involucradas en el estudio de esta materia (fuerza eléctrica, campo eléctrico, flujo de campo eléctrico, ley de Gauss y potencial eléctrico), y en este manual el autor presenta de manera clara y rigurosa el espectro de situaciones involucradas en el manejo de la carga eléctrica tanto en materiales conductores como no conductores y diferentes configuraciones geométricas (varilla, anillos, discos, cilindros y esferas). Una vez comprendi...