FIS120: FÍSICA GENERAL II Contenidos
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Departamento de Fı́sica, UTFSM Fı́sica General II / Prof: A. Brunel. FIS120: FÍSICA GENERAL II Contenidos 1. Módulo 1: Campo eléctrico, ley de Coulomb. 2 Clases. Contenidos: Ley de gravitación de Newton. Campo gravitatorio. Ley de Coulomb (cargas puntuales). Campo eléctrico. Lı́neas de campo. Principio de superposición y distribuciones continuas de carga. El dipolo eléctrico. Fuerza sobre una carga en un campo. Conceptos a entender: ¿Cuál es el efecto de un campo sobre una carga eléctrica? (fuerza). ¿Cómo se produce el campo eléctrico? (cargas) ¿Cuál es la relación entre la ley de Coulomb y la ley de gravitación de Newton? El campo eléctrico es una función del espacio, que tiene valor vectorial. El campo eléctrico se puede representar por lı́neas continuas, cuya dirección en cada punto representa la dirección vectorial del campo en ese punto, y cuya densidad representa la magnitud del campo. Las lı́neas de campo son continuas en el espacio, y sólo nacen o mueren donde hay carga eléctrica. Dos lı́neas no pueden cruzarse, salvo en un número discreto de puntos donde el campo es cero. ¿Qué es el principio de superposición para el campo eléctrico? ¿Cómo se usa el principio de superposición para calcular campos eléctricos producidos por distribuciones continuas de carga? 2. Módulo 2: Campo eléctrico, ley de Gauss. 2 Clases. Flujo de un campo vectorial. Integrales de superficie. Ley de Gauss. Campo y distribución de carga en conductores. Conceptos a entender: ¿Qué es el flujo del campo eléctrico (a través de una superficie dada)? ¿Cuál es la relación entre la ley de Coulomb y la ley de Gauss? ¿Cómo se entiende la ley de Gauss en términos de las lı́neas de campo? ¿Por qué en un conductor en equilibrio electrostático todo exceso de carga se acumula en su superficie? ¿Cuáles son los tres posibles tipos de simetrı́a que debe tener una distribución de carga para que el campo eléctrico pueda calcularse usando la ley de Gauss? 3. Módulo 3: Potencial eléctrico 3 Clases. Potencial eléctrico y energı́a potencial eléctrica. Movimiento de cargas en campos eléctricos. Superficies equipotenciales. Obtención del campo a partir del potencial. Energı́a de una configuración de cargas. Conceptos a entender: ¿Qué relación tiene el potencial eléctrico con el campo eléctrico? 1 Departamento de Fı́sica, UTFSM Fı́sica General II / Prof: A. Brunel. Si uno cambia el punto de referencia y/o el valor del potencial en ese punto, ¿cómo cambia el potencial eléctrico en todo el espacio? ¿cómo cambia la diferencia de potencial entre dos puntos arbitrarios? Dado el campo eléctrico en todas partes, ¿cómo encuentro el potencial? ¿Cómo encuentro el potencial producido por una distribución dada de carga usando el principio de superposición? Dado el potencial en todas partes, ¿cómo encuentro el campo? ¿Cómo uso el potencial para encontrar el movimiento de cargas en un campo eléctrico dado? ¿Cómo uso el potencial para determinar el trabajo externo necesario para desplazar una carga puntual en un campo externo? ¿Cómo uso el potencial para determinar el trabajo externo necesario para formar una configuración de carga dada? 4. Módulo 4: Condensadores y dieléctricos 2 Clases. Conexión a tierra de un conductor. Condensadores. Comportamiento dieléctrico y su interpretación microscópica. Energı́a en el campo eléctrico. Conceptos a entender: ¿Qué pasa con la carga y potencial de un conductor aislado cuando éste se conecta .a tierra¿ ¿Cómo es la topologı́a de un condensador? ¿Qué es la capacidad de un condensador?, ¿Qué es la capacidad de un conductor aislado?, ¿De qué dependen? ¿Cuánta energı́a hay acumulada en una distribución de cargas? ¿y en un condensador? ¿De dónde salió esa energı́a? ¿Qué significa la densidad de energı́a acumulada en el campo eléctrico? 5. Módulo 5: Conducción eléctrica 1 Clase. Corriente eléctrica. Ley de Ohm. Resistencia eléctrica. Interpretación microscópica de la conducción en un metal. Efecto Joule. Conceptos a entender: ¿Cuándo hay corriente eléctrica pasando por una superficie dada? ¿Cómo se calcula? ¿Qué diferencia hay entre corriente y densidad de corriente? ¿Qué significa la ecuación de continuidad de la carga eléctrica? ¿Es nulo el campo eléctrico en el interior de un conductor por el que pasa una corriente? ¿Cómo se relaciona entonces con la corriente? ¿Cómo paso de la ley de Ohm a nivel local (en términos del campo local) a la misma ley a nivel de dispositivo resistivo (en términos del voltaje entre dos puntos)? ¿De qué variables o caracterı́sticas de un cuerpo conductor depende su resistencia eléctrica? ¿Cómo puede calcularse? ¿Qué significa que la caı́da de tensión en una resistencia R es IR? ¿Cómo se relaciona la potencia transferida en un sistema eléctrico con las variables eléctricas de campo, voltaje, corriente, etc.? 6. Módulo 6: Circuitos eléctricos simples. 2 Clases. Circuitos eléctricos. Baterı́as. Leyes de Kirchhoff. El voltı́metro y el amperı́metro. Carga y descarga de un condensador. Conceptos a entender: 2 Departamento de Fı́sica, UTFSM Fı́sica General II / Prof: A. Brunel. ¿Cómo calculo las corrientes y voltajes en un circuito de forma cualquiera, compuesto por fuentes, resistores y condensadores, en general? ¿Qué relación tiene el voltaje y la corriente en una fuente?, ¿en un resistor?, ¿en un condensador? ¿cómo es la transferencia de energı́a en cada uno de éstos? ¿Cómo sé si un elemento de un circuito eléctrico está absorbiendo energı́a del circuito o entregándosela al mismo? ¿Qué determina que dos elementos en un circuito estén en serie o en paralelo? ¿Cómo se deben conectar un voltı́metro y un amperı́metro dentro de un circuito? ¿Por qué? ¿Cómo es el proceso de carga y descarga de un condensador que se conecta y luego se desconecta de una baterı́a? ¿Qué significado fı́sico tiene la constante RC? 7. Módulo 7: Campo magnético: efectos. 2 Clases. Fuerzas sobre cargas y corrientes. Movimiento de una carga en un campo uniforme. Torque sobre una espira con corriente: el motor eléctrico. Conceptos a entender: ¿Qué fuerza siente una carga debido a un campo magnético? ¿Qué relación tiene la fuerza con la velocidad instantánea de la carga? ¿Cuál es el movimiento más general de una carga en un campo magnético uniforme? ¿Qué es la frecuencia de ciclotrón? ¿Cuál es la fuerza neta que siente una partı́cula cargada que se mueve en una región del espacio donde existe tanto un campo magnético como uno eléctrico? ¿Cuánto es la fuerza sobre un segmento recto de alambre con corriente en un campo magnético? ¿Cuál es el principio básico 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 magnético uniforme? 8. Módulo 8: Campo magnético: origen. 3 Clases. Fuentes del campo magnético: imanes y corrientes. Ley de Biot-Savart. Ley de Ampère. El solenoide. El dipolo magnético. Conceptos a entender: ¿Cuáles son las fuentes del campo magnético? El campo magnético es una función del espacio, que tiene valor vectorial. ¿Qué se entiende por monopolo magnético? ¿Existen en la naturaleza? ¿Qué diferencia fundamental tienen las lı́neas de campo magnétostático vs. campo electrostático? ¿Cómo se representa esto a través de una relación matemática? ¿Cómo se puede detectar la presencia de un campo magnético? ¿Cómo puedo calcular el campo magnético en un punto conociendo las corrientes eléctricas en el espacio? ¿Cómo se aplica la regla de la mano derecha en relación al campo magnético producido por una corriente? ¿Qué propiedad general satisface la circulación de un campo magnetostático? ¿Cómo es el campo magnético dentro de un solenoide ideal? 3 Departamento de Fı́sica, UTFSM Fı́sica General II / Prof: A. Brunel. ¿Qué es un dipolo magnético y cómo es el campo magnético que produce? 9. Módulo 9: Inducción electromagnética. 2 Clases. Ley de Faraday. Movimiento de un conductor en un campo magnético. Fem inducida en una espira. El campo magnético como fuente de campo eléctrico. El generador eléctrico. Conceptos a entender: ¿Qué sucede cuando se mueve una barra conductora en un campo magnético? ¿De qué forma puede generarse una corriente en una espira con un campo magnético? ¿Qué significa la integral de camino y el flujo magnético en la ley de Faraday? ¿Qué significa el signo menos (Ley de Lenz)? ¿Qué es la “fem inducida¿ ¿Es posible generar un campo eléctrico en una situción donde la densidad de carga es nula en todo el espacio? ¿Cuál es el principio básico de funcionamiento de un generador eléctrico? 10. Módulo 10: Propiedades magnéticas de los materiales. 1 Clase. Este módulo es muy superficial incluso podrı́a verse en 1/2 clase. Dipolo magnético en materiales. Magnetizacion. Constante de permeabilidad. Ferromagnetismo. Conceptos a entender: ¿Qué es un dipolo magnético? ¿Cómo es el campo que produce? ¿Cómo se comporta en presencia de un campo externo? ¿Qué es la magnetización? ¿En un material no ferromagnético, cómo depende ésta del campo aplicado? Que es la constante de permeabilidad? ¿Cuáles son las propiedades básicas de un material ferromagnético? ¿Qué es la histéresis? ¿Qué es un imán permanente y qué relación tiene con el fenómeno de histéresis? 11. Módulo 11: Circuitos con inductancias. 2 Clases. Inductancia y autoinductancia. Circuitos RL. Energı́a en el campo magnético. Oscilaciones LC. Oscilaciones amortiguadas. Conceptos a entender: ¿Cómo se define la inductancia (propia) de un circuito? ¿De qué variables depende y cómo se calcula? ¿Qué relación hay entre la corriente y el voltaje en una inductancia? Note que el signo en la relación depende de las referencias. ¿En qué forma afecta la autoinductancia las variaciones de corriente en un circuito? (por ejemplo, al cerrar o abrir un interruptor) ¿Cuánta energı́a almacena una inductancia por la que se ha establecido una corriente constante? ¿Dónde se puede considerar almacenada tal energı́a? ¿Cómo pueden usarse consideraciones energéticas para estimar la fuerza de atracción entre dos imanes? ¿Cómo se intercambia la energı́a almacenada en un circuito LC? ¿Qué es una oscilación en un circuito R-L-C? ¿Qué es la frecuencia de resonancia? ¿Qué es la constante de amortiguación? ¿Qué es una oscilación subamortiguada o sobreamortiguada? ¿Cómo se determina esa condición? 4 Departamento de Fı́sica, UTFSM Fı́sica General II / Prof: A. Brunel. 12. Módulo 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: ¿Cuál es la dependencia temporal de las corrientes y voltajes (en estado estacionario) en un circuito de C.A. (=corriente alterna)? ¿Cuál es el significado de la fase entre corriente y voltaje para una componente dada? ¿Cuánto valen estas fases para una resistencia, un condensador, una inductancia, una fuente de C.A.? ¿Cómo puede determinar la fase entre voltajes o corrientes en un circuito de C.A.? ¿Qué significa esa fase, en cuanto a la señal eléctrica como función del tiempo? ¿Cómo se trabaja con impendancias en un circuito de C.A.? ¿Cómo se calcula la potencia eléctrica 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? ¿Cómo funciona el transformador? ¿Qué significa que un circuito de corriente alterna esté en condición de resonancia? ¿Cuál es esa condición para un circuito RLC en serie? 5
