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  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Problemas

8.1 Condensadores y capacitancia

19 .

¿Qué carga se almacena en un condensador de 180,0-μF180,0-μF cuando se le aplican 120,0 V?

20 .

Calcule la carga almacenada cuando se aplican 5,50 V a un condensador de 8,00 pF.

21 .

Calcule el voltaje aplicado a un condensador de 2,00-μF2,00-μF cuando mantiene 3,10μC3,10μC de carga.

22 .

¿Qué voltaje debe aplicarse a un condensador de 8,00 nF para almacenar 0,160 mC de carga?

23 .

¿Qué capacitancia se necesita para almacenar 3,00μC3,00μC de carga a un voltaje de 120 V?

24 .

¿Cuál es la capacitancia del terminal de un gran generador Van de Graaff, dado que almacena 8,00 mC de carga a un voltaje de 12,0 MV?

25 .

Las placas de un condensador de placas paralelas vacío de capacitancia 5,0 pF están separadas 2,0 mm. ¿Cuál es el área de cada placa?

26 .

Un condensador de vacío de 60,0 pF tiene un área de placa de 0,010m20,010m2. ¿Cuál es la separación entre sus placas?

27 .

Un conjunto de placas paralelas tiene una capacitancia de 5,0µF5,0µF. ¿Cuánta carga hay que añadir a las placas para aumentar la diferencia de potencial entre ellas en 100 V?

28 .

Considere que la Tierra es un conductor esférico de radio 6.400 km y calcule su capacitancia.

29 .

Si la capacitancia por unidad de longitud de un condensador cilíndrico es de 20 pF/m, ¿cuál es la relación de los radios de los dos cilindros?

30 .

Un condensador de placas paralelas vacío tiene una capacitancia de 20µF20µF. ¿Cuánta carga debe escaparse de sus placas para que el voltaje a través de ellas se reduzca en 100 V?

8.2 Condensadores en serie y en paralelo

31 .

Un condensador de 4,00 pF está conectado en serie con un condensador de 8,00 pF y se aplica una diferencia de potencial de 400 V a través del par. (a) ¿Cuál es la carga de cada condensador? (b) ¿Cuál es el voltaje a través de cada condensador?

32 .

Tres condensadores, con capacitancias de C1=2,0μF,C1=2,0μF,C2=3,0μFC2=3,0μF y C3=6,0μF,C3=6,0μF, respectivamente, están conectados en paralelo. Se aplica una diferencia de potencial de 500 V a través de la combinación. Determine el voltaje a través de cada condensador y la carga de cada condensador.

33 .

Calcule la capacitancia total de esta combinación de condensadores en serie y en paralelo que se muestra a continuación.

La figura muestra condensadores de valor 10 micro Farad y 2,5 micro Farad conectados en paralelo. Estos están conectados en serie con un condensador de valor 0,3 micro Farad.
34 .

Supongamos que necesitas una batería de condensadores con una capacitancia total de 0,750 F pero solo tienes condensadores de 1,50 mF a su disposición. ¿Cuál es el menor número de condensadores que podría conectar para lograr su meta y cómo los conectaría?

35 .

¿Qué capacitancias totales se pueden hacer conectando un 5,00-μF5,00-μF y un 8,00-μF8,00-μF condensador?

36 .

Calcule la capacitancia equivalente de la combinación de condensadores en serie y en paralelo que se muestra a continuación.

La figura muestra condensadores de valor 0,3 microfaradios y 10 microfaradios conectados en serie. Estos están conectados en paralelo con un condensador de valor 2,5 micro Farad.
37 .

Calcule la capacitancia neta de la combinación de condensadores en serie y en paralelo que se muestra a continuación.

La figura muestra un circuito con tres ramas conectadas en paralelo. El brazo 1 tiene condensadores de valor 5 micro Farad y 3,5 micro Farad conectados en serie. El Brach 2 tiene un condensador de valor 8 micro Farad. El Brach 3 tiene tres condensadores. Dos de ellos, con valores de 0,75 microfaradios y 15 microfaradios, están conectados en paralelo entre sí. Estos están en serie con el tercer condensador de valor 1,5 micro Farad.
38 .

Un condensador de 40 pF se carga hasta una diferencia de potencial de 500 V. A continuación se conectan sus terminales a los de un condensador de 10 pF sin cargar. Calcule: (a) la carga original en el condensador de 40 pF; (b) la carga en cada condensador después de realizar la conexión; y (c) la diferencia de potencial a través de las placas de cada condensador después de la conexión.

39 .

Un resistor de 2,0-μF2,0-μF y un condensador de 4,0-μF4,0-μF condensador están conectados en serie a través de un potencial de 1,0 kV. A continuación, los condensadores cargados se desconectan de la fuente y se conectan entre sí con terminales de signo similar. Halle la carga de cada condensador y el voltaje a través de cada condensador.

8.3 Energía almacenada en un condensador

40 .

¿Cuánta energía se almacena en un 8,00-μF8,00-μF condensador cuyas placas están a una diferencia de potencial de 6,00 V?

41 .

Un condensador tiene una carga de 2,5μC2,5μC cuando se conecta a una batería de 6,0 V. ¿Cuánta energía se almacena en este condensador?

42 .

¿Cuánta energía se almacena en el campo eléctrico de una esfera metálica de radio 2,0 m que se mantiene a un potencial de 10,0 V?

43 .

(a) ¿Cuál es la energía almacenada en el 10,0-μF10,0-μF condensador de un desfibrilador cardíaco cargado a 9,00×103V9,00×103V? (b) Calcule la cantidad de carga almacenada.

44 .

En la cirugía a corazón abierto, una cantidad mucho menor de energía desfibrilará el corazón. (a) ¿Qué voltaje se aplica al 8,00-μF8,00-μF condensador de un desfibrilador cardíaco que almacena 40,0 J de energía? (b) Calcule la cantidad de carga almacenada.

45 .

Un resistor de 165-μF165-μF condensador se utiliza junto con un motor de corriente continua (direct current, dc). ¿Cuánta energía se almacena en él cuando se aplican 119 V?

46 .

Suponga que tiene una batería de 9,00 V, una 2,00-μF2,00-μF condensador, y un 7,40-μF7,40-μF condensador. (a) Calcule la carga y la energía almacenada si los condensadores están conectados a la batería en serie. (b) Haga lo mismo para una conexión en paralelo.

47 .

Un físico inquieto se preocupa de que los dos estantes metálicos de una librería con marco de madera puedan obtener un alto voltaje si se cargan con electricidad estática, quizás producida por la fricción. (a) ¿Cuál es la capacitancia de los estantes vacíos si tienen área 1,00×102m21,00×102m2 y están separadas 0,200 m? (b) ¿Cuál es el voltaje entre ellas si se colocan cargas opuestas de magnitud 2,00 nC? (c) Para demostrar que este voltaje supone un pequeño peligro, calcule la energía almacenada. (d) Las estanterías reales tienen una superficie 100 veces menor que estas hipotéticas estanterías con una conexión al mismo voltaje. ¿Están justificados sus temores?

48 .

Un condensador de placas paralelas está formado por dos placas cuadradas de 25 cm de lado y separadas 1,0 mm. El condensador está conectado a una batería de 50,0 V. Con la batería aún conectada, se separan las placas hasta una separación de 2,00 mm. ¿Cuáles son las energías almacenadas en el condensador antes y después de separar las placas? ¿Por qué disminuye la energía a pesar de que se realiza trabajo al separar las placas?

49 .

Supongamos que la capacitancia de un condensador variable puede cambiarse manualmente de 100 pF a 800 pF girando un dial, conectado a un conjunto de placas por un eje, de 0°0° a 180°180°. Con el dial puesto en 180°180° (correspondiente a C=800pFC=800pF), el condensador se conecta a una fuente de 500 V. Después de la carga, el condensador se desconecta de la fuente, y el dial se gira a 0°0°. Si la fricción es despreciable, ¿cuánto trabajo se requiere para girar el dial de 180°180° a 0°0°?

8.4 Condensador con dieléctrico

50 .

Demuestre que para un material dieléctrico dado, la energía máxima que puede almacenar un condensador de placas paralelas es directamente proporcional al volumen de dieléctrico.

51 .

Un condensador lleno de aire está formado por dos placas planas paralelas separadas 1,0 mm. La superficie interior de cada placa es 8,0cm28,0cm2. (a) ¿Cuál es la capacitancia de este conjunto de placas? (b) Si la región entre las placas se rellena con un material cuya constante dieléctrica es 6,0, ¿cuál es la nueva capacitancia?

52 .

Un condensador está formado por dos esferas concéntricas, una de radio 5,00 cm y otra de radio 8,00 cm. (a) ¿Cuál es la capacitancia de este conjunto de conductores? (b) Si la región entre los conductores se rellena con un material cuya constante dieléctrica es 6,00, ¿cuál es la capacitancia del sistema?

53 .

Un condensador de placas paralelas tiene una carga de magnitud 9,00μC9,00μC en cada placa y la capacitancia 3,00μF3,00μF cuando hay aire entre las placas. Las placas están separadas por 2,00 mm. Con la carga en las placas mantenida constante, un dieléctrico con κ=5κ=5 se inserta entre las placas, llenando completamente el volumen entre las placas. (a) ¿Cuál es la diferencia de potencial entre las placas del condensador, antes y después de insertar el dieléctrico? (b) ¿Cuál es el campo eléctrico en el punto medio entre las placas antes y después de insertar el dieléctrico?

54 .

Algunas paredes celulares del cuerpo humano tienen una capa de carga negativa en la superficie interior. Supongamos que las densidades de carga superficial son ±0,50×10−3C/m2±0,50×10−3C/m2, la pared celular es 5.0×10−9m5.0×10−9m de espesor, y el material de la pared celular tiene una constante dieléctrica de κ=5,4κ=5,4. (a) Calcule la magnitud del campo eléctrico en la pared entre dos capas de carga. (b) Calcule la diferencia de potencial entre el interior y el exterior de la célula. ¿Cuál está a mayor potencial? (c) Una célula típica del cuerpo humano tiene un volumen 10−16m3.10−16m3. Estime la energía total del campo eléctrico almacenada en la pared de una célula de este tamaño, suponiendo que la célula es esférica. (Pista: Calcule el volumen de la pared celular).

55 .

Un condensador de placas paralelas con solo aire entre sus placas se carga conectando el condensador a una batería. A continuación, el condensador se desconecta de la batería, sin que la carga salga de las placas. (a) Un voltímetro marca 45,0 V cuando se coloca a través del condensador. Cuando se introduce un dieléctrico entre las placas, llenando completamente el espacio, el voltímetro marca 11,5 V. ¿Cuál es la constante dieléctrica del material? (b) ¿Qué marcará el voltímetro si ahora se retira el dieléctrico para que llene solo un tercio del espacio entre las placas?

8.5 Modelo molecular de un dieléctrico

56 .

Dos placas planas que contienen cargas iguales y opuestas están separadas por un material de 4,0 mm de espesor con una constante dieléctrica de 5,0. Si el campo eléctrico en el dieléctrico es de 1,5 MV/m, ¿cuáles son (a) la densidad de carga en las placas del condensador y (b) la densidad de carga inducida en las superficies del dieléctrico?

57 .

Para un condensador de placas paralelas relleno de Teflon™, el área de la placa es 50,0cm250,0cm2 y la separación entre las placas es de 0,50 mm. Si el condensador está conectado a una batería de 200 V, calcule (a) la carga libre en las placas del condensador, (b) el campo eléctrico en el dieléctrico y (c) la carga inducida en las superficies del dieléctrico.

58 .

Calcule la capacitancia de un condensador de placas paralelas con una superficie de 5,00m25,00m2 y separados por 0,100 mm de Teflon™.

59 .

(a) ¿Cuál es la capacitancia de un condensador de placas paralelas con placas de área 1,50m21,50m2 que están separadas por 0,0200 mm de goma de neopreno? (b) ¿Qué carga mantiene cuando se le aplican 9,00 V?

60 .

Dos placas paralelas tienen cargas iguales y opuestas. Cuando se evacua el espacio entre las placas, el campo eléctrico es E=3,20×105V/mE=3,20×105V/m. Cuando el espacio está lleno de dieléctrico, el campo eléctrico es E=2,50×105V/mE=2,50×105V/m. (a) ¿Cuál es la densidad de carga superficial en cada superficie del dieléctrico? (b) ¿Cuál es la constante dieléctrica?

61 .

El dieléctrico que se utilizará en un condensador de placas paralelas tiene una constante dieléctrica de 3,60 y una resistencia dieléctrica de 1,60×107V/m1,60×107V/m. El condensador debe tener una capacitancia de 1,25 nF y debe ser capaz de soportar una diferencia de potencial máxima de 5,5 kV. ¿Cuál es la superficie mínima que pueden tener las placas del condensador?

62 .

Cuando se conecta un condensador de aire de 360 nF a una fuente de energía, la energía almacenada en el condensador es 18,5μJ18,5μJ. Mientras el condensador está conectado a la fuente de energía, se inserta una placa de dieléctrico que rellena completamente el espacio entre las placas. Esto aumenta la energía almacenada en 23,2μJ23,2μJ. (a) ¿Cuál es la diferencia de potencial entre las placas del condensador? (b) ¿Cuál es la constante dieléctrica de la losa?

63 .

Un condensador de placas paralelas tiene placas cuadradas de 8,00 cm de lado y 3,80 mm de separación. El espacio entre las placas se rellena completamente con dos placas cuadradas de dieléctrico, cada una de 8,00 cm de lado y 1,90 mm de grosor. Una placa es de vidrio Pyrex y la otra de poliestireno. Si la diferencia de potencial entre las placas es de 86,0 V, calcule cuánta energía eléctrica puede almacenarse en este condensador.

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