Física : electricidad y magetismo

417 Pages·2016·19.245 MB·Spanish

by  Raymond A. Serway

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(cid:46)(cid:83)(cid:76)(cid:82)(cid:3)(cid:59)(cid:18)(cid:3)(cid:46)(cid:73)(cid:91)(cid:73)(cid:88)(cid:88)(cid:16)(cid:3)(cid:46)(cid:86)(cid:18)
FÍSICA
ELECTRICIDAD Y
MAGNETISMO
(cid:50)(cid:83)(cid:90)(cid:73)(cid:82)(cid:69)(cid:3)(cid:73)(cid:72)(cid:77)(cid:71)(cid:77)(cid:122)(cid:82)

N O V E N A
E D I C I Ó N
Física
Electricidad y magnetismo
Raymond A. Serway
Emeritus, James Madison University
John W. Jewett, Jr.
Emeritus, California State Polytechnic University, Pomona
Con las contribuciones de Vahé Peroomian
University of California en Los Angeles
Traducción
María del Carmen
Rodríguez Pedroza
Revisión técnica
Dr. Ernesto Filio López
Unidad Profesional en Ingeniería y Tecnologías Aplicadas
Instituto Politécnico Nacional
Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur
Electricidad y magnetismo © D.R. 2016 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.,
Novena edición una Compañía de Cengage Learning, Inc.
Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Corporativo Santa Fe
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Rafael Pérez González
Traducido del libro Physics for Scientists and
Editor: Engineers, Volume 2, 9th Edition.
Sergio R. Cervantes González Raymond A. Serway and John W. Jewett, Jr.
Publicado en ingles por Brooks/Cole, una compañía
Diseño de portada: de Cengage Learning ©2014
Roy Neuhaus ISBN: 978-1-133-95414-9
Imagen de portada: Datos para catalogación bibliográfi ca:
© Ashley Cooper/Corbis Serway, Raymond A. y John W. Jewett, Jr.
Electricidad y magnetismo. Novena edición.
Composición tipográfi ca: ISBN: 978-607-522-490-9.
Ediciones OVA
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http://latinoamerica.cengage.com
Impreso en México
1 2 3 4 5 6 7 18 17 16 15
Contenido
Acerca de los autores ix 4 Capacitancia y materiales dieléctricos 89
Prefacio xi 4.1 Definición de capacitancia 89
Al estudiante xxvii 4.2 Cálculo de la capacitancia 91
4.3 Combinaciones de capacitores 94
Electricidad y
4.4 Energía almacenada en un capacitor con carga 98
4.5 Capacitores con material dieléctrico 102
magnetismo 4.6 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 105
4.7 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 107
5
1 Campos eléctricos 2 Corriente y resistencia 120
5.1 Corriente eléctrica 120
1.1 Propiedades de las cargas eléctricas 2
5.2 Resistencia 123
1.2 Objetos cargados mediante inducción 4
5.3 Modelo de conducción eléctrica 128
1.3 Ley de Coulomb 6
5.4 Resistencia y temperatura 131
1.4 Análisis de modelo: partícula en un
5.5 Superconductores 131
campo (eléctrico) 11
5.6 Potencia eléctrica 132
1.5 Campo eléctrico de una distribución
6
de carga continua 16 Circuitos de corriente directa 145
1.6 Líneas de campo eléctrico 20 6.1 Fuerza electromotriz 145
1.7 Movimiento de partículas cargadas en 6.2 Resistores en serie y en paralelo 148
un campo eléctrico uniforme 22 6.3 Leyes de Kirchhoff 155
6.4 Circuitos RC 158
2 Ley de Gauss 37
6.5 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 164
2.1 Flujo eléctrico 37 7
Campos magnéticos 180
2.2 Ley de Gauss 40
7.1 Análisis de modelo: partícula en un campo (magnético) 181
2.3 Aplicación de la ley de Gauss a varias
7.2 Movimiento de una partícula cargada en un campo
distribuciones de carga 43
magnético uniforme 186
2.4 Conductores en equilibrio electrostático 47
7.3 Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas
3 Potencial eléctrico 58 en un campo magnético 191
7.4 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que
3.1 Diferencia de potencial y potencial eléctrico 58
transporta corriente 194
3.2 Diferencia de potencial en un campo
7.5 Momento de torsión sobre una espira de corriente en un
eléctrico uniforme 60
campo magnético uniforme 197
3.3 Potencial eléctrico y energía potencial debidos
7.6 El efecto Hall 202
a cargas puntuales 64
8
3.4 Obtención del valor del campo eléctrico Fuentes del campo magnético 216
a partir del potencial eléctrico 67 8.1 Ley de Biot-Savart 216
3.5 Potencial eléctrico debido a distribuciones 8.2 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 221
de carga continuas 68 8.3 Ley de Ampère 223
3.6 Potencial eléctrico debido a un 8.4 Campo magnético de un solenoide 227
conductor con carga 73 8.5 Ley de Gauss en el magnetismo 228
3.7 Experimento de la gota de aceite de Millikan 76 8.6 Magnetismo en la materia 231
3.8 Aplicaciones de la electrostática 77
vii
viii
Contenido
9
Ley de Faraday 247 12.4 Energía transportada por ondas electromagnéticas 351
12.5 Cantidad de movimiento y presión de radiación 354
9.1 Ley de inducción de Faraday 247
12.6 Producción de ondas electromagnéticas por
9.2 Fem de movimiento 251
una antena 356
9.3 Ley de Lenz 256
12.7 El espectro de las ondas electromagnéticas 357
9.4 Fem inducida y campos eléctricos 259
9.5 Generadores y motores 261
Apéndices
9.6 Corrientes de Eddy 265
10
Inductancia 282
10.1 Autoinducción e inductancia 282 A Tablas A-1
10.2 Circuitos RL 284
A.1 Factores de conversión A-1
10.3 Energía en un campo magnético 288
A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2
10.4 Inductancia mutua 290
B
10.5 Oscilaciones en un circuito LC 292 Repaso matemático A-4
10.6 Circuito RLC 296 B.1 Notación científica A-4
11 B.2 Álgebra A-5
Circuitos de corriente alterna 310
B.3 Geometría A-10
11.1 Fuentes de CA 310
B.4 Trigonometría A-11
11.2 Resistores en un circuito de CA 311
B.5 Desarrollo de series A-13
11.3 Inductores en un circuito de CA 314
B.6 Cálculo diferencial A-13
11.4 Capacitores en un circuito de CA 316
B.7 Cálculo integral A-16
11.5 Circuito RLC en serie 319
B.8 Propagación de incertidumbre A-20
11.6 Potencia en un circuito de CA 323
C
11.7 Resonancia en un circuito RLC en serie 325 Tabla periódica de los elementos A-22
11.8 El transformador y la transmisión de energía 327 D
Unidades del SI A-24
11.9 Rectificadores y filtros 330
D.1 Unidades del SI A-24
12
Ondas electromagnéticas 342
D.2 Algunas unidades del SI deducibles A-24
12.1 C orriente de desplazamiento y la forma general
Respuestas a exámenes rápidos y problemas
de la ley de Ampère 343
con numeración impar A-25
12.2 Ecuaciones de Maxwell y los descubrimientos
de Hertz 345
Índice I-1
12.3 Ondas electromagnéticas planas 347
Acerca de los autores
Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology
y es profesor emérito en la James Madison University. En 2011, fue galardonado con
un doctorado honorario por parte de su alma mater, Utica College. En 1990 recibió
el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17
años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde
dirigió investigaciones y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished
Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica
College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich,
Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway
también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró
con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además, el doctor Serway es coautor de College
Physics, novena edición; Principles of Physics, quinta edición; Essentials of College Physics y
Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics,
publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en
el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 60 conferencias en reuniones profesionales. El doctor
Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, pescar, acampar cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de
calidad con sus cuatro hijos y diez nietos, y recientemente, otro grandioso nieto.
John W. Jewett, Jr., obtuvo su licenciatura en Física en la Drexel University y su
doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y
magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica
en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En
la actualidad es profesor emérito de física en la California State Polytechnic Univer-
sity, en Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo
promotor de la educación en ciencias físicas. Además de recibir cuatro becas Natio-
nal Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern
Physics Institute (SCAMPI) y el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and
Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula
efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en
el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California
State Polythecnic University de 1991-1992 y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Asso-
ciation of Physics Teachers (AAPT) en 1998. Ha impartido más de 100 conferencias en reuniones profesionales, incluidas
conferencias en la AAPT. También ha publicado 25 artículos sobre la física de la materia condensada e investigaciones en
la enseñanza de la física. Además es autor de The World of Physics... Mysteries, Magic and Myth, el cual proporciona un gran
número de conexiones entre la física y las experiencias cotidianas. Aparte de su trabajo en este libro, es coautor de Prin-
ciples of Physics, quinta edición, así como de Global Issues, un conjunto de cuatro manuales de ciencia integral para educa-
ción secundaria. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar, la fotografía submarina, las lenguas
extranjeras y coleccionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más
importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa, sus hijos y nietos.
ix

Electricidad y P A4R T E
magnetismo
Un tren de maglev Transrapid
se detiene en una estación en
Shanghai, China. La palabra
maglev es una forma abreviada
de levitación magnética. Este
tren no tiene contacto físico
con sus rieles, y su peso está
totalmente apoyado por las
fuerzas electromagnéticas.
En esta parte del libro,
estudiaremos estas fuerzas.
(OTHK/Asia Images/
Jupiterimages)
Ahora estudiará la rama de la física que se ocupa de los fenómenos eléctricos y magnéti-
cos. Las leyes de la electricidad y del magnetismo desempeñan un papel muy importante en el fun-
cionamiento de dispositivos como teléfonos inteligentes, televisiones, motores eléctricos, computadoras,
aceleradores de alta energía y otros aparatos electrónicos. Incluso, en su forma más básica, las fuerzas inter-
atómicas e intermoleculares responsables de la formación de sólidos y líquidos son, en su origen, eléctricas.
Evidencia encontrada en documentos de la antigua China sugiere que desde el año 2000 a.C., el mag-
netismo ya había sido observado. Los antiguos griegos observaron fenómenos eléctricos y magnéticos desde
el año 700 a.C. Conocían las fuerzas magnéticas al observar la magnetita (Fe O ), piedra de origen natural,
3 4
que es atraída por el hierro. (La palabra eléctrico viene de elecktron, palabra griega para designar el “ámbar”.
La palabra magnético proviene de Magnesia, nombre de la provincia griega donde se encontró magnetita
por primera vez.)
No fue sino hasta principios del siglo XIX que los científicos llegaron a la conclusión de que la electricidad
y el magnetismo son fenómenos relacionados. En 1819, Hans Oersted descubrió que la aguja de la brújula
se desvía si se coloca cerca de un circuito por el que se conduce una corriente eléctrica. En 1831, Michael
Faraday y, en forma simultánea, Joseph Henry, demostraron que cuando se pone en movimiento un alambre
cerca de un imán (o, de manera equivalente, cuando un imán se mueve cerca de un alambre), se establece
una corriente eléctrica en dicho alambre. En 1873, James Clerk Maxwell aprovechó estas observaciones,
junto con otros experimentos, para sustentar las leyes del electromagnetismo tal como se conocen hoy día.
(Electromagnetismo es el nombre que se le da al estudio conjunto de la electricidad y del magnetismo.)
La contribución de Maxwell en el campo del electromagnetismo fue de especial relevancia, porque
las leyes que formuló son fundamentales para explicar todas las formas de fenómenos electromagnéti-
cos. Su trabajo tiene tanta importancia como las leyes del movimiento y la teoría de la gravitación
universal. ■
689
23
C A P Í T U L O Campos eléctricos
23.1 Propiedades de las cargas
eléctricas
23.2 Objetos cargados mediante
inducción
23.3 Ley de Coulomb
23.4 Análisis de modelo:
partícula en un campo
(eléctrico)
23.5 Campo eléctrico de una
distribución de carga
continua
23.6 Líneas de campo eléctrico
23.7 Movimiento de partículas
cargadas en un campo
eléctrico uniforme
Esta joven está disfrutando de los En este capítulo, comenzamos el estudio del electromagnetismo. El primer enlace que
efectos de cargar eléctricamente su vamos a hacer con nuestro estudio anterior es a través del concepto de fuerza. La fuerza
cuerpo. Cada cabello en su cabeza electromagnética entre partículas cargadas es una de las fuerzas fundamentales de la natu-
se carga individualmente y ejerce
raleza. Comenzaremos por describir algunas propiedades básicas de una manifestación de la
una fuerza de repulsión en los otros
fuerza electromagnética, la fuerza eléctrica. A continuación se analiza la ley de Coulomb, que
cabellos, lo que resulta en el peinado
es la ley fundamental que rige la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas. A continua-
“parado” que se ve aquí. (Ted
ción, se introduce el concepto de un campo eléctrico asociado a una distribución de carga y
Kinsman/Photo Researchers, Inc.)
se describen sus efectos sobre otras partículas cargadas. Luego mostramos cómo utilizar la
ley de Coulomb para calcular el campo eléctrico de una distribución de carga dada. El capítulo
concluye con un análisis sobre el movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico
uniforme. El segundo vínculo entre el electromagnetismo y nuestro estudio anterior es a tra-
vés del concepto de energía. Analizaremos este tema en el capítulo 25.
2233..11
Propiedades de las cargas eléctricas
Hay una variedad de experimentos simples para demostrar la existencia de fuerzas
eléctricas. Por ejemplo, después de frotar un globo contra el cabello en un día seco,
observará que el globo atrae pequeños pedazos de papel. Con frecuencia la fuerza
de atracción es lo suficientemente intensa para que los pedazos de papel queden
suspendidos.
690