FÍSICA GENERAL II Programación. Contenidos

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Texto completo

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UNIVERSIDAD T´ECNICA FEDERICO SANTA MARIA 1er

Semestre 2011

ISICA GENERAL II

Programaci´

on

1. Control 1: fecha 01 de abril, contenido: M´odulos 1, 2 y 3(parcial: determinar diferencias de potencial a partir del campo el´ectrico).

2. Certamen 1: fecha 15 de abril, contenido: M´odulos 1, 2, 3 y 4.

3. Control 2: fecha 06 de mayo, contenido: M´odulos 5, 6 y 7(parcial: fuerza de Lorentz.) 4. Certamen 2: fecha 20 de mayo, contenido: M´odulos 5, 6, 7 y 8.

5. Control 3: 10 de junio, contenido: M´odulos 9, 10 y 11(parcial: c´alculo de inductancia, relaci´on entre corriente y voltaje en una inductancia, circuito RL)

6. Certamen 3: 24 de junio, contenido: M´odulos 9, 10, 11 y 12.

Contenidos

1. M´odulo 1: Campo el´ectrico, ley de Coulomb.

2 Clases. Contenidos: Ley de gravitaci´on de Newton. Campo gravitatorio. Ley de Coulomb (cargas puntuales). Campo el´ectrico. L´ıneas de campo. Principio de superposici´on y distribuciones continuas de carga. El dipolo el´ectrico. Fuerza sobre una carga en un campo.

Conceptos a entender:

¿Cu´al es el efecto de un campo sobre una carga el´ectrica? (fuerza). ¿C´omo se produce el campo el´ectrico? (cargas)

¿Cu´al es la relaci´on entre la ley de Coulomb y la ley de gravitaci´on de Newton? El campo el´ectrico es una funci´on del espacio, que tiene valor vectorial.

El campo el´ectrico se puede representar por l´ıneas continuas, cuya direcci´on en cada punto repre-senta la direcci´on vectorial del campo en ese punto, y cuya densidad representa la magnitud del campo.

Las l´ıneas de campo son continuas en el espacio, y s´olo nacen o mueren donde hay carga el´ectrica. Dos l´ıneas no pueden cruzarse, salvo en un n´umero discreto de puntos donde el campo es cero. ¿Qu´e es el principio de superposici´on para el campo el´ectrico?

¿C´omo se usa el principio de superposici´on para calcular campos el´ectricos producidos por distri-buciones continuas de carga?

2. M´odulo 2: Campo el´ectrico, ley de Gauss.

2 Clases. Flujo de un campo vectorial. Integrales de superficie. Ley de Gauss. Campo y distribuci´on de carga en conductores.

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¿Qu´e es el flujo del campo el´ectrico (a trav´es de una superficie dada)? ¿Cu´al es la relaci´on entre la ley de Coulomb y la ley de Gauss?

¿C´omo se entiende la ley de Gauss en t´erminos de las l´ıneas de campo?

¿Por qu´e en un conductor en equilibrio electrost´atico todo exceso de carga se acumula en su superficie?

¿Cu´ales son los tres posibles tipos de simetr´ıa que debe tener una distribuci´on de carga para que el campo el´ectrico pueda calcularse usando la ley de Gauss?

3. M´odulo 3: Potencial el´ectrico

3 Clases.Potencial el´ectrico y energ´ıa potencial el´ectrica. Movimiento de cargas en campos el´ectricos. Superficies equipotenciales. Obtenci´on del campo a partir del potencial. Energ´ıa de una configuraci´on de cargas.

Conceptos a entender:

¿Qu´e relaci´on tiene el potencial el´ectrico con el campo el´ectrico?

Si uno cambia el punto de referencia y/o el valor del potencial en ese punto, ¿c´omo cambia el potencial el´ectrico en todo el espacio? ¿c´omo cambia la diferencia de potencial entre dos puntos arbitrarios?

Dado el campo el´ectrico en todas partes, ¿c´omo encuentro el potencial?

¿C´omo encuentro el potencial producido por una distribuci´on dada de carga usando el principio de superposici´on?

Dado el potencial en todas partes, ¿c´omo encuentro el campo?

¿C´omo uso el potencial para encontrar el movimiento de cargas en un campo el´ectrico dado? ¿C´omo uso el potencial para determinar el trabajo externo necesario para desplazar una carga puntual en un campo externo?

¿C´omo uso el potencial para determinar el trabajo externo necesario para formar una configuraci´on de carga dada?

4. M´odulo 4: Condensadores y diel´ectricos

2 Clases.Conexi´on a tierra de un conductor. Condensadores. Comportamiento diel´ectrico y su inter-pretaci´on microsc´opica. Energ´ıa en el campo el´ectrico.

Conceptos a entender:

¿Qu´e pasa con la carga y potencial de un conductor aislado cuando ´este se conecta .atierra¿

¿C´omo es la topolog´ıa de un condensador?

¿Qu´e es la capacidad de un condensador?, ¿Qu´e es la capacidad de un conductor aislado?, ¿De qu´e dependen?

¿Cu´anta energ´ıa hay acumulada en una distribuci´on de cargas? ¿y en un condensador? ¿De d´onde sali´o esa energ´ıa?

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5. M´odulo 5: Conducci´on el´ectrica

1 Clase.Corriente el´ectrica. Ley de Ohm. Resistencia el´ectrica. Interpretaci´on microsc´opica de la con-ducci´on en un metal. Efecto Joule.

Conceptos a entender:

¿Cu´ando hay corriente el´ectrica pasando por una superficie dada? ¿C´omo se calcula? ¿Qu´e diferencia hay entre corriente y densidad de corriente?

¿Qu´e significa la ecuaci´on de continuidad de la carga el´ectrica?

¿Es nulo el campo el´ectrico en el interior de un conductor por el que pasa una corriente? ¿C´omo se relaciona entonces con la corriente?

¿C´omo paso de la ley de Ohm a nivel local (en t´erminos del campo local) a la misma ley a nivel de dispositivo resistivo (en t´erminos del voltaje entre dos puntos)?

¿De qu´e variables o caracter´ısticas de un cuerpo conductor depende su resistencia el´ectrica? ¿C´omo puede calcularse?

¿Qu´e significa que la ca´ıda de tensi´on en una resistencia R es IR?

¿C´omo se relaciona la potencia transferida en un sistema el´ectrico con las variables el´ectricas de campo, voltaje, corriente, etc.?

6. M´odulo 6: Circuitos el´ectricos simples.

2 Clases. Circuitos el´ectricos. Bater´ıas. Leyes de Kirchhoff. El volt´ımetro y el amper´ımetro. Carga y descarga de un condensador.

Conceptos a entender:

¿C´omo calculo las corrientes y voltajes en un circuito de forma cualquiera, compuesto por fuentes, resistores y condensadores, en general?

¿Qu´e relaci´on tiene el voltaje y la corriente en una fuente?, ¿en un resistor?, ¿en un condensador? ¿c´omo es la transferencia de energ´ıa en cada uno de ´estos?

¿C´omo s´e si un elemento de un circuito el´ectrico est´a absorbiendo energ´ıa del circuito o entreg´ ando-sela al mismo?

¿Qu´e determina que dos elementos en un circuito est´en en serie o en paralelo?

¿C´omo se deben conectar un volt´ımetro y un amper´ımetro dentro de un circuito? ¿Por qu´e? ¿C´omo es el proceso de carga y descarga de un condensador que se conecta y luego se desconecta de una bater´ıa? ¿Qu´e significado f´ısico tiene la constante RC?

7. M´odulo 7: Campo magn´etico: efectos.

2 Clases.Fuerzas sobre cargas y corrientes. Movimiento de una carga en un campo uniforme. Torque sobre una espira con corriente: el motor el´ectrico.

Conceptos a entender:

¿Qu´e fuerza siente una carga debido a un campo magn´etico? ¿Qu´e relaci´on tiene la fuerza con la velocidad instant´anea de la carga?

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¿Cu´al es el movimiento m´as general de una carga en un campo magn´etico uniforme? ¿Qu´e es la frecuencia de ciclotr´on?

¿Cu´al es la fuerza neta que siente una part´ıcula cargada que se mueve en una regi´on del espacio donde existe tanto un campo magn´etico como uno el´ectrico?

¿Cu´anto es la fuerza sobre un segmento recto de alambre con corriente en un campo magn´etico? ¿Cu´al es el principio b´asico de funcionamiento de un motor de corriente continua?

¿Cuanto valen la fuerza neta y el torque neto sobre una espira con corriente en un campo magn´etico uniforme?

8. M´odulo 8: Campo magn´etico: origen.

3 Clases. Fuentes del campo magn´etico: imanes y corrientes. Ley de Biot-Savart. Ley de Amp`ere. El solenoide. El dipolo magn´etico.

Conceptos a entender:

¿Cu´ales son las fuentes del campo magn´etico?

El campo magn´etico es una funci´on del espacio, que tiene valor vectorial. ¿Qu´e se entiende por monopolo magn´etico? ¿Existen en la naturaleza?

¿Qu´e diferencia fundamental tienen las l´ıneas de campo magn´etost´atico vs. campo electrost´atico? ¿C´omo se representa esto a trav´es de una relaci´on matem´atica?

¿C´omo se puede detectar la presencia de un campo magn´etico?

¿C´omo puedo calcular el campo magn´etico en un punto conociendo las corrientes el´ectricas en el espacio?

¿C´omo se aplica la regla de la mano derecha en relaci´on al campo magn´etico producido por una corriente?

¿Qu´e propiedad general satisface la circulaci´on de un campo magnetost´atico? ¿C´omo es el campo magn´etico dentro de un solenoide ideal?

¿Qu´e es un dipolo magn´etico y c´omo es el campo magn´etico que produce? 9. M´odulo 9: Inducci´on electromagn´etica.

2 Clases.Ley de Faraday. Movimiento de un conductor en un campo magn´etico. Fem inducida en una espira. El campo magn´etico como fuente de campo el´ectrico. El generador el´ectrico.

Conceptos a entender:

¿Qu´e sucede cuando se mueve una barra conductora en un campo magn´etico?

¿De qu´e forma puede generarse una corriente en una espira con un campo magn´etico?

¿Qu´e significa la integral de camino y el flujo magn´etico en la ley de Faraday? ¿Qu´e significa el signo menos (Ley de Lenz)?

¿Qu´e es la “fem inducida¿

¿Es posible generar un campo el´ectrico en una situci´on donde la densidad de carga es nula en todo el espacio?

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10. M´odulo 10: Propiedades magn´eticas de los materiales.

1 Clase. Este m´odulo es muy superficial incluso podr´ıa verse en 1/2 clase.Dipolo magn´etico en materiales. Magnetizacion. Constante de permeabilidad. Ferromagnetismo.

Conceptos a entender:

¿Qu´e es un dipolo magn´etico? ¿C´omo es el campo que produce? ¿C´omo se comporta en presencia de un campo externo?

¿Qu´e es la magnetizaci´on? ¿En un material no ferromagn´etico, c´omo depende ´esta del campo apli-cado? Que es la constante de permeabilidad? ¿Cu´ales son las propiedades b´asicas de un material ferromagn´etico? ¿Qu´e es la hist´eresis? ¿Qu´e es un im´an permanente y qu´e relaci´on tiene con el fen´omeno de hist´eresis?

11. M´odulo 11: Circuitos con inductancias.

2 Clases.Inductancia y autoinductancia. Circuitos RL. Energ´ıa en el campo magn´etico. Oscilaciones LC. Oscilaciones amortiguadas.

Conceptos a entender:

¿C´omo se define la inductancia (propia) de un circuito? ¿De qu´e variables depende y c´omo se calcula?

¿Qu´e relaci´on hay entre la corriente y el voltaje en una inductancia? Note que el signo en la relaci´on depende de las referencias.

¿En qu´e forma afecta la autoinductancia las variaciones de corriente en un circuito? (por ejemplo, al cerrar o abrir un interruptor)

¿Cu´anta energ´ıa almacena una inductancia por la que se ha establecido una corriente constante? ¿D´onde se puede considerar almacenada tal energ´ıa?

¿C´omo pueden usarse consideraciones energ´eticas para estimar la fuerza de atracci´on entre dos imanes?

¿C´omo se intercambia la energ´ıa almacenada en un circuito LC?

¿Qu´e es una oscilaci´on en un circuito R-L-C? ¿Qu´e es la frecuencia de resonancia? ¿Qu´e es la constante de amortiguaci´on?

¿Qu´e es una oscilaci´on subamortiguada o sobreamortiguada? ¿C´omo se determina esa condici´on? 12. M´odulo 12: Corriente alterna.

3 Clases. Circuitos de corriente alterna. Corriente y voltaje efectivos (rms). Fasores. Impedancia y reactancia. El transformador. El circuito RLC. Resonancia.

Conceptos a entender:

¿Cu´al es la dependencia temporal de las corrientes y voltajes (en estado estacionario) en un circuito de C.A. (=corriente alterna)?

¿Cu´al es el significado de la fase entre corriente y voltaje para una componente dada?

¿Cu´anto valen estas fases para una resistencia, un condensador, una inductancia, una fuente de C.A.?

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¿C´omo puede determinar la fase entre voltajes o corrientes en un circuito de C.A.? ¿Qu´e significa esa fase, en cuanto a la se˜nal el´ectrica como funci´on del tiempo?

¿C´omo se trabaja con impendancias en un circuito de C.A.?

¿C´omo se calcula la potencia el´ectrica media entregada por la fuente en un circuito de C.A.? ¿Basta con conocer los valores RMS de la corriente y del voltaje por la fuente?

¿C´omo funciona el transformador?

¿Qu´e significa que un circuito de corriente alterna est´e en condici´on de resonancia? ¿Cu´al es esa condici´on para un circuito RLC en serie?

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