Transcript of Fisica universitaria Sears - Zemansky - 12ava edicion - vol2
- 1. Fsica universitaria YOUNG FREEDMAN SEARS ZEMANSKY
Decimosegunda edicinDecimosegunda edicinDecimosegunda edicin
volumen 2 CON FSICA MODERNA
- 2. Longitud 1 ao luz 5 9.461 3 1015 m rea Volumen Tiempo ngulo
Rapidez 1 furlong/14 das 5 1.662 3 1024 m/s 1 mi/h 5 1.466 ft/s 5
0.4470 m/s 5 1.609 km/h 1 km/h 5 0.2778 m/s 5 0.6214 mi/h 1 mi/min
5 60 mi/h 5 88 ft/s 1 ft/s 5 0.3048 m/s 1 m/s 5 3.281 ft/s 1
rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/s 1 revolucin 5 360 5 2p rad 1 5 0.01745
rad 5 p/180 rad 1 rad 5 57.30 5 180/p 1 ao 5 365.24 d 5 3.156 3 107
s 1 d 5 86,400 s 1 h 5 3600 s 1 min 5 60 s 1 galn 5 3.788 litros 1
ft3 5 0.02832 m3 5 28.32 litros 5 7.477 galones 1 litro 5 1000 cm3
5 1023 m3 5 0.03531 ft3 5 61.02 in3 1 ft 5 144 in2 5 0.0929 m2 1
in2 5 6.452 cm2 1 m2 5 104 cm2 5 10.76 ft2 1 cm2 5 0.155 in2 1
milla nutica 5 6080 ft 1 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 mi 5 5280
ft 5 1.609 km 1 yd 5 91.44 cm 1 ft 5 30.48 cm 1 in. 5 2.540 cm 1 cm
5 0.3937 in 1 m 5 3.281 ft 5 39.37 in 1 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 m
5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm Aceleracin Masa 1 kg tiene un
peso de 2.205 lb cuando g 5 9.80 m>s2 Fuerza Presin Energa
Equivalencia masa-energa Potencia 1 Btu/h 5 0.293 W 1 hp 5 746 W 5
550 ft # lb/s 1 W 5 1 J/s 1 eV 4 1.074 3 1029 u 1 u 4 931.5 MeV 1
kg 4 8.988 3 1016 J 1 kWh 5 3.600 3 106 J 1 eV 5 1.602 3 10219 J 1
Btu 5 1055 J 5 252 cal 5 778 ft # lb 1 ft # lb 5 1.356 J 1 cal 5
4.186 J (con base en calora de 15) 1 J 5 107 ergs 5 0.239 cal 1 mm
Hg 5 1 torr 5 133.3 Pa 5 14.7 lb/in2 5 2117 lb/ft2 1 atm 5 1.013 3
105 Pa 5 1.013 bar 1 lb/ft2 5 47.88 Pa 1 lb/in2 5 6895 Pa 1 bar 5
105 Pa 1 Pa 5 1 N/m2 5 1.450 3 1024 lb/in2 5 0.209 lb/ft2 1 lb 5
4.448 N 5 4.448 3 105 dinas 1 N 5 105 dinas 5 0.2248 lb 1 u 5 1.661
3 10227 kg 1 slug 5 14.59 kg 1 g 5 6.85 3 1025 slug 1 kg 5 103 g 5
0.0685 slug 1 mi/h # s 5 1.467 ft/s2 1 ft/s2 5 0.3048 m/s2 5 30.48
cm/s2 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s2 1 m/s2 5 100 cm/s2 5
3.281 ft/s2 FACTORES DE CONVERSIN DE UNIDADES
- 3. CONSTANTES NUMRICAS Constantes fsicas fundamentales* Nombre
Smbolo Valor Rapidez de la luz c Magnitud de carga del electrn e
Constante gravitacional G Constante de Planck h Constante de
Boltzmann k Nmero de Avogadro Constante de los gases R Masa del
electrn Masa del protn Masa del neutrn Permeabilidad del espacio
libre Permitividad del espacio libre Otras constante tiles
Equivalente mecnico del calor Presin atmosfrica estndar 1 atm Cero
absoluto 0 K Electrn volt 1 eV Unidad de masa atmica 1 u Energa del
electrn en reposo 0.510998918(44) MeV Volumen del gas ideal (0 C y
1 atm) 22.413996(39) litros/mol Aceleracin debida a la gravedad g
(estndar) *Fuente: National Institute of Standards and Technology
(http://physics.nist.gov/cuu). Los nmeros entre parntesis indican
incertidumbre en los dgitos nales del nmero principal; por ejemplo,
el nmero 1.6454(21) signica 1.6454 6 0.0021. Los valores que no
indican incertidumbre son exactos. Datos astronmicos Radio de la
Periodo de Cuerpo Masa (kg) Radio (m) rbita (m) la rbita Sol Luna
27.3 d Mercurio 88.0 d Venus 224.7 d Tierra 365.3 d Marte 687.0 d
Jpiter 11.86 y Saturno 29.45 y Urano 84.02 y Neptuno 164.8 y Plutn
247.9 y Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Solar System
Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. Kenneth Seidelmann,
ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac (University
Science Books, Mill Valley, CA, 1992), pp. 704-706. Para cada
cuerpo, radio es el radio en su ecuador y radio de la rbita es la
distancia media desde el Sol (en el caso de los planetas) o desde
la Tierra (en el caso de la Luna). En agosto de 2006 la Unin
Astronmica Internacional reclasic a Plutn y a otros pequeos objetos
que giran en rbita alrededor del Sol como planetas enanos. 5.91 3
1012 1.15 3 106 1.31 3 1022 4.50 3 1012 2.48 3 107 1.02 3 1026 2.87
3 1012 2.56 3 107 8.68 3 1025 1.43 3 1012 6.03 3 107 5.68 3 1026
7.78 3 1011 6.91 3 107 1.90 3 1027 2.28 3 1011 3.40 3 106 6.42 3
1023 1.50 3 1011 6.38 3 106 5.97 3 1024 1.08 3 1011 6.05 3 106 4.87
3 1024 5.79 3 1010 2.44 3 106 3.30 3 1023 3.84 3 108 1.74 3 106
7.35 3 1022 6.96 3 108 1.99 3 1030 9.80665 m/s2 mec2 1.66053886(28)
3 10227 kg 1.60217653(14) 3 10219 J 2273.15 C 1.01325 3 105 Pa
4.186 J/cal (15 calora ) 8.987551787 c 3 109 N # m2 /C2 1/4pP0
8.854187817 c 3 10212 C2 /N # m2 P0 5 1/m0c2 4p 3 1027 Wb/A # mm0
1.67492728(29) 3 10227 kgmn 1.67262171(29) 3 10227 kgmp
9.1093826(16) 3 10231 kgme 8.314472(15) J/mol # K 6.0221415(10) 3
1023 molculas/molNA 1.3806505(24) 3 10223 J/K 6.6260693(11) 3 10234
J # s 6.6742(10) 3 10211 N # m2 /kg2 1.60217653(14) 3 10219 C
2.99792458 3 108 m/s
- 4. fsica unIverSitaria SEARS ZEMANSKY CON FSICA MODERNA Volumen
2
- 5. ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS 21.1 Ley de Coulomb 719
21.2 Clculos de campo elctrico 728 22.1 Ley de Gauss 762 23.1
Clculo del potencial elctrico 794 24.1 Capacitancia equivalente 822
24.2 Dielctricos 831 25.1 Potencia y energa en los circuitos 865
26.1 Resistores en serie y en paralelo 884 26.2 Reglas de Kirchhoff
888 27.1 Fuerzas magnticas 921 27.2 Movimiento en campos magnticos
927 28.1 Clculo de campos magnticos 961 28.2 Ley de Ampre 973 29.1
Ley de Faraday 999 30.1 Inductores en circuitos 1041 31.1 Circuitos
de corriente alterna 1073 32.1 Ondas electromagnticas 1103 33.1
Reexin y refraccin 1128 33.2 Polarizacin lineal 1138 34.1 Formacin
de imgenes con espejos 1168 34.2 Formacin de imgenes por lentes
delgadas 1180 35.1 Interferencia en pelculas delgadas 1221 37.1
Dilatacin del tiempo 1276 37.2 Contraccin de la longitud 1281 37.3
Transformaciones de Lorentz 1286 38.1 Fotones 1312 39.1 Partculas y
ondas 1351 41.1 Estructura atmica 1405 43.1 Propiedades nucleares
1474 ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PGINA ESTRATEGIA PARA
RESOLVER PROBLEMAS PGINA
- 6. ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM 10.1 Propiedades de las
ondas mecnicas 11.1 Fuerza elctrica: ley de Coulomb 11.2 Fuerza
elctrica: principio de superposicin 11.3 Fuerza elctrica:
superposicin (cuantitativa) 11.4 Campo elctrico: carga puntual 11.5
Campo elctrico debido a un dipolo 11.6 Campo elctrico: problemas
11.7 Flujo elctrico 11.8 Ley de Gauss 11.9 Movimiento de una carga
en un campo elctrico: introduccin 11.10 Movimiento en un campo
elctrico: problemas 11.11 Potencial elctrico: introduccin
cualitativa 11.12 Potencial, campo y fuerza elctricos 11.13 Energa
potencial elctrica y potencial 12.1 Circuitos de CD en serie
(cualitativos) 12.2 Circuitos de CD en paralelo 12.3 Diagramas de
circuitos de CD 12.4 Uso de ampermetros y voltmetros 12.5 Uso de
las leyes de Kirchhoff 12.6 Capacitancia 12.7 Capacitores en serie
y en paralelo 12.8 Constantes de tiempo de circuitos 13.1 Campo
magntico de un alambre 13.2 Campo magntico de una espira 13.3 Campo
magntico de un solenoide 13.4 Fuerza magntica sobre una partcula
13.5 Fuerza magntica sobre un alambre 13.6 Par de torsin magntico
sobre una espira 13.7 Espectrmetro de masas 13.8 Selector de
velocidad 13.9 Induccin electromagntica 13.10 Fuerza electromotriz
de movimiento 14.1 El circuito RL 14.2 Circuitos de CA: el
oscilador RLC 14.3 Circuitos de CA: el oscilador excitador 15.1
Reexin y refraccin 15.2 Reexin interna total 15.3 Aplicaciones de
la refraccin 15.4 ptica geomtrica: espejos planos 15.5 Espejos
esfricos: diagramas de rayos 15.6 Espejos esfricos: ecuacin del
espejo 15.7 Espejos esfricos: aumento lineal m 15.8 Espejos
esfricos: problemas 15.9 Diagramas de rayos de lentes delgadas
15.10 Lentes delgadas convergentes 15.11 Lentes delgadas
divergentes 15.12 Sistemas de dos lentes 16.1 Interferencia de dos
fuentes: introduccin 16.2 Interferencia de dos fuentes: preguntas
cualitativas 16.3 Interferencia de dos fuentes: problemas 16.4 La
rejilla: introduccin y preguntas 16.5 La rejilla: problemas 16.6
Difraccin desde una sola ranura 16.7 Difraccin en oricios
circulares 16.8 Poder de resolucin 16.9 ptica fsica: polarizacin
17.1 Relatividad del tiempo 17.2 Relatividad de la longitud 17.3
Efecto fotoelctrico 17.4 Dispersin de Compton 17.5 Interferencia de
electrones 17.6 Principio de incertidumbre 17.7 Paquetes de ondas
18.1 El modelo de Bohr 18.2 Espectroscopa 18.3 El lser 19.1
Dispersin de partculas 19.2 Energa de enlace nuclear 19.3 Fusin
19.4 Radiactividad 19.5 Fsica de partculas 20.1 Diagramas de energa
potencial 20.2 Partcula en una caja 20.3 Pozos de potencial 20.4
Barreras de potencial www.masteringphysics.com O N L I N E
- 7. MXICO Alberto Rubio Ponce Gabriela Del Valle Daz Muoz Hctor
Luna Garca Jos Antonio Eduardo Roa Neri Universidad Autnoma
Metropolitana Unidad Azcapotzalco Ricardo Pintle Monroy Rafael Mata
Carlos Gutirrez Aranzeta Instituto Politcnico Nacional Escuela
Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica-Zacatenco Marcela Martha
Villegas Garrido Francisco J. Delgado Cepeda Instituto Tecnolgico y
de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de Mxico Lzaro
Barajas de la Torre Lucio Lpez Cavazos Instituto Tecnolgico y de
Estudios Superiores de Monterrey Campus Quertaro Jos Arturo Tar
Ortiz Peralta Omar Olmos Lpez Vctor Bustos Meter Jos Luis Salazar
Laureles Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey
Campus Toluca Daniel Zalapa Zalapa Centro de Enseanza Tcnica
Industrial Guadalajara Lorena Vega Lpez Centro Universitario de
Ciencias Exactas e Ingenieras Universidad de Guadalajara Sergio
Flores Instituto de Ingeniera y Tecnologa Universidad Autnoma de
Ciudad Jurez ARGENTINA Ema Aveleyra Universidad de Buenos Aires
Buenos Aires Alerino Beltramino UTN Regional Buenos Aires Buenos
Aires Miguel ngel Altamirano UTN Regional Crdoba Crdoba COLOMBIA
lvaro Andrs Velsquez Torres Universidad EAFIT Medelln Robert Snchez
Cano Universidad Autnoma de Occidente Cali Fernando Molina Focazzio
Ponticia Universidad Javeriana Bogot Jaime Isaza Ceballos Escuela
Colombiana de Ingeniera Bogot COSTA RICA Diego Chaverri Polini
Universidad Latina de Costa Rica San Jos Juan Meneses Rimola
Instituto Tecnolgico de Costa Rica Cartago Randall Figueroa Mata
Universidad Hispanoamericana San Jos ESPAA Jos M. Zamarro Minguell
Universidad de Murcia Campus del Espinardo Murcia Fernando Ribas
Prez Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeera Tcnica
Industrial Vigo Stefano Chiussi Universidad de Vigo Escola Tcnica
Superior de Enxeeiros de Telecomunicacin Vigo Miguel ngel Hidalgo
Universidad de Alcal de Henares Campus Universitario Alcal de
Henares PER Yuri Milachay Vicente Universidad Peruana de Ciencias
Aplicadas Lima VENEZUELA Mario Caicedo lvaro Restuccia Jorge
Stephany Universidad Simn Bolvar Caracas REVISIN TCNICA
- 8. fsica unIverSitaria Decimosegunda edicin volumen 2
Addison-Wesley HUGH D. YOUNG CARNEGIE MELLON UNIVERSITY ROGER A.
FREEDMAN UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA CON LA COLABORACIN
DE A. LEWIS FORD texas a&m university TRADUCCIN JAVIER ENRQUEZ
BRITO traductor profesional especialista en el rea de ciencias
REVISIN TCNICA RIGEL GMEZ LEAL GABRIEL ALEJANDRO JARAMILLO MORALES
DGAR RAYMUNDO LPEZ TLLEZ FRANCISCO MIGUEL PREZ RAMREZ facultad de
ingeniera universidad nacional autnoma de mxico SEARS ZEMANSKY CON
FSICA MODERNA
- 9. DECIMOSEGUNDA EDICIN VERSIN IMPRESA, 2009 DECIMOSEGUNDA
EDICIN E-BOOK, 2009 D.R. 2009 por Pearson Educacin de Mxico, S.A.
de C.V. Atlacomulco No. 500-5 piso Col. Industrial Atoto 53519,
Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico e-mail:
editorial.mx@pearsoned.com Cmara Nacional de la Industria Editorial
Mexicana. Reg. Nm. 1031. Addison-Wesley es una marca registrada de
Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Reservados todos los
derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden
reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de
recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea
electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por
fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por
escrito del editor. El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de
cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del
editor o de sus representantes. Impreso en Mxico. Printed in
Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 13 12 11 10 Datos de catalogacin
bibliogrfica YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN Fsica
universitaria, con fsica moderna volumen 2. Decimosegunda edicin
PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2009 ISBN: 978-607-442-304-4 rea: Ciencias
Formato: 21 3 27 cm Pginas: 896 Authorized adaptation from the
English language edition, entitled University Physics with Modern
Physics 12th ed. (chapters 21-44), by Hugh D. Young, Roger A.
Freedman; contributing author, A. Lewis Ford published by Pearson
Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright 2008. All
rights reserved. ISBN 9780321501219 Adaptacin autorizada de la
edicin en idioma ingls, titulada University Physics with Modern
Physics 12 ed. (captulos 21-44), de Hugh D. Young, Roger A.
Freedman; con la colaboracin de A. Lewis Ford, publicada por
Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, Copyright
2008. Todos los derechos reservados. Esta edicin en espaol es la
nica autorizada. Edicin en espaol Editor: Rubn Fuerte Rivera
e-mail: ruben.fuerte@pearsoned.com Editor de desarrollo: Felipe
Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Enrique Trejo Hernndez
Edicin en ingls Addison-Wesley es una marca de Vice President and
Editorial Director: Adam Black, Ph.D. Senior Development Editor:
Margot Otway Editorial Manager: Laura Kenney Associate Editor:
Chandrika Madhavan Media Producer: Matthew Phillips Director of
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Director, Image Resource Center: Melinda Patelli Manager, Rights
and Permissions: Zina Arabia Photo Research: Cypress Integrated
Systems Cover Printer: Phoenix Color Corporation Printer and
Binder: Courier Corporation/Kendallville Cover Image: The Millau
Viaduct, designed by Lord Norman Foster, Millau, France. Photograph
by Jean-Philippe Arles/Reuters/Corbis ISBN VERSIN IMPRESA:
978-607-442-304-4 ISBN E-BOOK:
978-607-442-307-5www.pearsoneducacion.net
- 10. CONTENIDO BREVE Fsica moderna 37 Relatividad 1268 38
Fotones, electrones y tomos 1307 39 La naturaleza ondulatoria de
las partculas 1349 40 Mecnica cuntica 1375 41 Estructura atmica
1401 42 Molculas y materia condensada 1433 43 Fsica nuclear 1468 44
Fsica de partculas y cosmologa 1509 APNDICES A El sistema
internacional de unidades A-1 B Relaciones matemticas tiles A-3 C
El alfabeto griego A-4 D Tabla peridica de los elementos A-5 E
Factores de conversin de unidades A-6 F Constantes numricas A-7
Respuestas a los problemas con nmero impar A-9 Electromagnetismo 21
Carga elctrica y campo elctrico 709 22 Ley de Gauss 750 23
Potencial elctrico 780 24 Capacitancia y dielctricos 815 25
Corriente, resistencia y fuerza electromotriz 846 26 Circuitos de
corriente directa 881 27 Campo magntico y fuerzas magnticas 916 28
Fuentes de campo magntico 957 29 Induccin electromagntica 993 30
Inductancia 1030 31 Corriente alterna 1061 32 Ondas
electromagnticas 1092 ptica 33 Naturaleza y propagacin de la luz
1121 34 ptica geomtrica 1157 35 Interferencia 1207 36 Difraccin
1234
- 11. SOBRE LOS AUTORES Hugh D. Young es profesor emrito de fsica
en Carnegie Mellon University, en Pittsburgh, PA. Curs sus estudios
de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon, donde obtuvo su
doctorado en teora de partculas fundamentales bajo la direccin de
Richard Cutkosky, hacia el nal de la carrera acadmica de ste. Se
uni al claus- tro de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y tambin
ha sido profesor visitante en la Universidad de California en
Berkeley durante dos aos. La carrera del profesor Young se ha
centrado por completo en la docencia en el nivel de licenciatura.
Ha escrito varios libros de texto para ese nivel y en 1973 se con-
virti en coautor de los bien conocidos libros de introduccin a la
fsica de Francis Sears y Mark Zemansky. A la muerte de stos, el
profesor Young asumi toda la responsabilidad de las nuevas
ediciones de esos textos, hasta que se le uni el pro- fesor
Freedman para elaborar Fsica Universitaria. El profesor Young
practica con entusiasmo el esqu, el montaismo y la caminata. Tambin
ha sido durante varios aos organista asociado en la Catedral de San
Pablo, en Pittsburgh, ciudad en la que ha ofrecido numerosos
recitales. Durante el verano viaja con su esposa Alice, en especial
a Europa y a la zona desrtica de los caones del sur de Utah. Roger
A. Freedman es profesor en la Universidad de California, en Santa
Brbara (UCSB). El doctor Freedman estudi su licenciatura en los
planteles de San Diego y Los ngeles de la Universidad de
California, y realiz su investigacin doctoral en teora nuclear en
la Universidad de Stanford bajo la direccin del profesor J. Dirk
Walecka. Lleg a UCSB en 1981, despus de haber sido durante tres aos
profesor e investigador en la Universidad de Washington. En UCSB el
doctor Freedman ha impartido ctedra tanto en el departamento de
Fsica como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la
universidad que da cabida a los estudiantes con dotes y motivacin
para el arte. Ha publicado artculos sobre fsica nuclear, fsica de
partculas elementales y fsica de lseres. En los aos recientes ha
colaborado en el desarrollo de herramientas de cmputo para la
enseanza de la fsica y la astronoma. Cuando no est en el aula o
trabajando afanosamente ante una computadora, al doctor Freedman se
le ve volando (tiene licencia de piloto comercial) o manejando con
su esposa Caroline su automvil convertible Nash Metropolitan,
modelo 1960. A. Lewis Ford es profesor de fsica en Texas A&M
University. Curs la licenciatura en Rice University en 1968, y
obtuvo un doctorado en fsica qumica de la Universidad de Texas, en
Austin, en 1972. Despus de pasar un ao de posdoctorado en la
Univer- sidad de Harvard, se uni en 1973 a Texas A&M University
como profesor de fsica, donde ha permanecido desde entonces. El rea
de investigacin del profesor Ford es la fsica atmica terica, con
especialidad en colisiones atmicas. En Texas A&M University ha
impartido una amplia variedad de cursos de licenciatura y posgrado,
pero sobre todo de introduccin a la fsica.
- 12. AL ESTUDIANTE CMO TRIUNFAR EN FSICA SI SE INTENTA DE VERDAD
Mark Hollabaugh Normandale Community College ix La fsica estudia lo
grande y lo pequeo, lo viejo y lo nue- vo. Del tomo a las galaxias,
de los circuitos elctricos a la aerodinmica, la fsica es una gran
parte del mundo que nos rodea. Es probable que est siguiendo este
curso de introduc- cin a la fsica, basado en el clculo, porque lo
requiera para materias posteriores que planee tomar para su carrera
en ciencias o ingeniera. Su profesor quiere que aprenda fsica y
goce la experiencia. l o ella tienen mucho inters en ayu- darlo a
aprender esta fascinante disciplina. sta es parte de la razn por la
que su maestro eligi este libro para el curso. Tambin es la razn
por la que los doctores Young y Freedman me pidieron que escribiera
esta seccin introductoria. Quere- mos que triunfe! El propsito de
esta seccin de Fsica universitaria es dar- le algunas ideas que lo
ayuden en su aprendizaje. Al anlisis breve de los hbitos generales
y las estrategias de estudio, se- guirn sugerencias especcas de cmo
utilizar el libro. Preparacin para este curso Si en el bachillerato
estudi fsica, es probable que aprenda los conceptos ms rpido que
quienes no lo hicieron porque es- tar familiarizado con el lenguaje
de la fsica. De igual modo, si tiene estudios avanzados de
matemticas comprender con ms rapidez los aspectos matemticos de la
fsica. Aun si tuviera un nivel adecuado de matemticas, encontrar
tiles libros como el de Arnold D. Pickar, Preparing for General
Physics: Math Skill Drills and Other Useful Help (Calculus
Version). Es posible que su profesor asigne tareas de este repaso
de matemticas como auxilio para su aprendizaje. Aprender a aprender
Cada uno de nosotros tiene un estilo diferente de aprendizaje y un
medio preferido para hacerlo. Entender cul es el suyo lo ayudar a
centrarse en los aspectos de la fsica que tal vez le planteen
dicultades y a emplear los componentes del curso que lo ayudarn a
vencerlas. Es obvio que querr dedicar ms tiempo a aquellos aspectos
que le impliquen ms problemas. Si usted aprende escuchando, las
conferencias sern muy im- portantes. Si aprende con explicaciones,
entonces ser de ayuda trabajar con otros estudiantes. Si le resulta
difcil re- solver problemas, dedique ms tiempo a aprender cmo ha-
cerlo. Asimismo, es importante entender y desarrollar buenos hbitos
de estudio. Quiz lo ms importante que pueda hacer por usted mismo
sea programar de manera regular el tiempo adecuado en un ambiente
libre de distracciones. Responda las siguientes preguntas para
usted mismo: Soy capaz de utilizar los conceptos matemticos funda-
mentales del lgebra, geometra y trigonometra? (Si no es as, planee
un programa de repaso con ayuda de su profesor.) En cursos
similares, qu actividad me ha dado ms pro- blemas? (Dedique ms
tiempo a eso.) Qu ha sido lo ms fcil para m? (Haga esto primero; lo
ayudar a ga- nar conanza.) Entiendo el material mejor si leo el
libro antes o despus de la clase? (Quizs aprenda mejor si revisa
rpido el material, asiste a clase y luego lee con ms profundidad.)
Dedico el tiempo adecuado a estudiar fsica? (Una regla prctica para
una clase de este tipo es dedicar en prome- dio 2.5 horas de
estudio fuera del aula por cada hora de clase en esta. Esto signica
que para un curso con cinco horas de clase programadas a la semana,
debe destinar de 10 a 15 horas semanales al estudio de la fsica.)
Estudio fsica a diario? (Distribuya esas 10 a15 horas a lo largo de
toda la semana!) A qu hora estoy en mi mejor momento para estudiar
fsica? (Elija un horario especco del da y resptelo.) Trabajo en un
lugar tranquilo en el que pueda mantener mi concentracin? (Las
distracciones rompern su rutina y harn que pase por alto puntos
importantes.) Trabajar con otros Es raro que los cientcos e
ingenieros trabajen aislados unos de otros, y ms bien trabajan en
forma cooperativa. Aprender ms fsica y el proceso ser ms ameno si
trabaja con otros estudiantes. Algunos profesores tal vez
formalicen el uso del aprendizaje cooperativo o faciliten la
formacin de grupos de estudio. Es posible que desee formar su
propio grupo no formal de estudio con miembros de su clase que
vivan en su vecindario o residencia estudiantil. Si tiene acceso al
correo electrnico, selo para estar en contacto con los dems. Su
grupo de estudio ser un recurso excelente cuando se pre- pare para
los exmenes.
- 13. x Cmo triunfar en fsica si se intenta de verdad Las clases
y los apuntes Un factor importante de cualquier curso universitario
son las clases. Esto es especialmente cierto en fsica, ya que ser
fre- cuente que su profesor haga demostraciones de principios
fsicos, ejecute simulaciones de computadora o proyecte videos.
Todas stas son actividades de aprendizaje que lo ayudarn a
comprender los principios bsicos de la fsica. No falte a clases, y
si lo hace por alguna razn especial, pida a un amigo o miembro de
su grupo de estudio que le d los apuntes y le diga lo que pas. En
clase, tome notas rpidas y entre a los detalles despus. Es muy
difcil tomar notas palabra por palabra, de modo que slo escriba las
ideas clave. Si su profesor utiliza un dia- grama del libro de
texto, deje espacio en el cuaderno para ste y agrguelo ms tarde.
Despus de clase, complete sus apuntes con la cobertura de cualquier
faltante u omisin y anotando los conceptos que necesite estudiar
posteriormen- te. Haga referencias por pgina del libro de texto,
nmero de ecuacin o de seccin. Asegrese de hacer preguntas en clase,
o vea a su pro- fesor durante sus horas de asesora. Recuerde que la
nica pregunta fuera de lugar es la que no se hace. En su escue- la
quiz haya asistentes de profesor o tutores para ayudarlo con las
dicultades que encuentre. Exmenes Presentar un examen es
estresante. Pero si se prepar de ma- nera adecuada y descans bien,
la tensin ser menor. La preparacin para un examen es un proceso
continuo; co- mienza en el momento en que termina el ltimo examen.
Debe analizar sus exmenes y comprender los errores que haya
cometido. Si resolvi un problema y cometi errores importantes,
pruebe lo siguiente: tome una hoja de papel y divdala en dos partes
con una lnea de arriba hacia abajo. En una columna escriba la
solucin apropiada del problema, y en la otra escriba lo que hizo y
por qu, si es que lo sabe, y la razn por la que su propuesta de
solucin fue incorrecta. Si no est seguro de por qu cometi el error
o de la forma de evitarlo, hable con su profesor. La fsica se
construye de manera continua sobre ideas fundamentales y es
importante corregir de inmediato cualquiera malentendido. Cuidado:
si se prepara en el ltimo minuto para un examen, no retendr en
forma adecuada los conceptos para el siguiente.
- 14. AL PROFESOR PREFACIO xi Este libro es el producto de ms de
medio siglo de liderazgo e innovacin en la enseanza de la fsica.
Cuando en 1949 se public la primera edicin de Fsica universitaria,
de Francis W. Sears y Mark W. Zemansky, su nfasis en los principios
fundamentales de la fsica y la forma de aplicarlos fue un aspecto
revolucionario entre los libros de la disciplina cuya base era el
clculo. El xito del libro entre generaciones de (varios millones)
de estudiantes y profesores de todo el mun- do da testimonio del
mrito de este enfoque, y de las muchas innovaciones posteriores. Al
preparar esta nueva decimosegunda edicin, hemos mejorado y
desarrollado an ms Fsica universitaria asimi- lando las mejores
ideas de la investigacin educativa con respecto a la enseanza
basada en la resolucin de problemas, la pedagoga visual y
conceptual; este libro es el primero que presenta problemas
mejorados en forma sistemtica, y en uti- lizar el sistema de tareas
y enseanza en lnea ms garantizado y usado del mundo. Lo nuevo en
esta edicin Solucin de problemas El celebrado enfoque de cua- tro
pasos para resolver problemas, basado en la inves- tigacin
(identicar, plantear, ejecutar y evaluar) ahora se usa en cada
ejemplo resuelto, en la seccin de Estra- tegia para resolver
problemas de cada captulo, y en las soluciones de los manuales para
el profesor y para el es- tudiante. Los ejemplos resueltos ahora
incorporan boce- tos en blanco y negro para centrar a los
estudiantes en esta etapa crtica: aquella que, segn las
investigaciones, los estudiantes tienden a saltar si se ilustra con
guras muy elaboradas. Instrucciones seguidas por prctica Una
trayectoria de enseanza y aprendizaje directa y sistemtica seguida
por la prctica, incluye Metas de aprendizaje al principio de cada
captulo, as como Resmenes visuales del captulo que consolidan cada
concepto con palabras, matemticas y guras. Las preguntas
conceptuales ms frecuentes en la seccin de Evale su comprensin al
nal de cada sec- cin ahora usan formatos de opcin mltiple y de
clasi- cacin que permiten a los estudiantes la comprobacin
instantnea de sus conocimientos. Poder didctico de las guras El
poder que tienen las guras en la enseanza fue enriquecido con el
empleo de la tcnica de anotaciones, probada por las investiga-
ciones (comentarios estilo pizarrn integrados en la gura, para
guiar al estudiante en la interpretacin de sta), y por el uso
apropiado del color y del detalle (por ejemplo, en la mecnica se
usa el color para centrar al estudian- te en el objeto de inters al
tiempo que se mantiene el resto de la imagen en una escala de
grises sin detalles que distraigan). Problemas mejorados al nal de
cada captulo Reco- nocido por contener los problemas ms variados y
pro- bados que existen, la decimosegunda edicin va ms all: ofrece
la primera biblioteca de problemas de f- sica mejorados de manera
sistemtica con base en el desempeo de estudiantes de toda la nacin.
A partir de este anlisis, ms de 800 nuevos problemas se integran al
conjunto de 3700 de toda la biblioteca. MasteringPhysics
(www.masteringphysics.com). Lan- zado con la undcima edicin, la
herramienta de Mastering- Physics ahora es el sistema de tareas y
enseanza en lnea ms avanzado del mundo que se haya adoptado y
probado en la educacin de la manera ms amplia. Para la deci-
mosegunda edicin, MasteringPhysics incorpora un con- junto de
mejoras tecnolgicas y nuevo contenido. Adems de una biblioteca de
ms de 1200 tutoriales y de todos los problemas de n de captulo,
MasteringPhysics ahora tambin presenta tcnicas especcas para cada
Estrategia para resolver problemas, as como para las preguntas de
la seccin de Evale su comprensin de cada captulo. Las respuestas
incluyen los tipos algebraico, numrico y de opcin mltiple, as como
la clasificacin, elaboracin de grcas y trazado de vectores y rayos.
Caractersticas clave de Fsica universitaria Una gua para el
estudiante Muchos estudiantes de fsica tienen dicultades tan slo
porque no saben cmo usar su libro de texto. La seccin llamada Cmo
triunfar en fsica si se intenta de verdad. Organizacin de los
captulos La primera seccin de cada captulo es una introduccin que
da ejemplos especcos del contenido del captulo y lo conecta con lo
visto antes. Tam- bin hay una pregunta de inicio del captulo y una
lista de metas de aprendizaje para hacer que el lector piense en el
tema del captulo que tiene por delante. (Para encontrar la
respuesta a la pregunta, busque el icono ?) La mayora de las
secciones terminan con una pregunta para que usted Evale su
comprensin, que es de naturaleza conceptual o cuantita- tiva. Al
nal de la ltima seccin del captulo se encuentra un resumen visual
del captulo de los principios ms impor- tantes que se vieron en
ste, as como una lista de trminos clave que hace referencia al
nmero de pgina en que se pre- senta cada trmino. Las respuestas a
la pregunta de inicio del captulo y a las secciones Evale su
comprensin se encuen- tran despus de los trminos clave. Preguntas y
problemas Al nal de cada captulo hay un conjunto de preguntas de
repaso que ponen a prueba y am- plan la comprensin de los conceptos
que haya logrado el estudiante. Despus se encuentran los
ejercicios, que son
- 15. xii Prefacio problemas de un solo concepto dirigidos a
secciones espe- ccas del libro; los problemas por lo general
requieren uno o dos pasos que no son triviales; y los problemas de
desafo buscan provocar a los estudiantes ms persistentes. Los pro-
blemas incluyen aplicaciones a campos tan diversos como la
astrofsica, la biologa y la aerodinmica. Muchos proble- mas tienen
una parte conceptual en la que los estudiantes deben analizar y
explicar sus resultados. Las nuevas pregun- tas, ejercicios y
problemas de esta edicin fueron creados y organizados por Wayne
Anderson (Sacramento City College), Laird Kramer (Florida
International University) y Charlie Hibbard. Estrategias para
resolver problemas y ejemplos resueltos Los recuadros de Estrategia
para resolver problemas, dis- tribuidos en todo el libro, dan a los
estudiantes tcticas especficas para resolver tipos particulares de
problemas. Estn enfocados en las necesidades de aquellos
estudiantes que sienten que entienden los conceptos pero no pueden
resolver los problemas. Todos los recuadros de la Estrategia para
resolver pro- blemas van despus del mtodo IPEE (identicar,
plantear, ejecutar y evaluar) para solucionar problemas. Este
enfoque ayuda a los estudiantes a visualizar cmo empezar con una
situacin compleja parecida, identicar los conceptos fsicos
relevantes, decidir cules herramientas se necesitan para re- solver
el problema, obtener la solucin y luego evaluar si el resultado
tiene sentido. Cada recuadro de Estrategia para resolver problemas
va seguido de uno o ms ejemplos resueltos que ilustran la es-
trategia; adems, en cada captulo se encuentran muchos otros
ejemplos resueltos. Al igual que los recuadros de Estrategia para
resolver problemas, todos los ejemplos cuantitativos utilizan el
mtodo IPEE. Varios de ellos son cualitativos y se identican con el
nombre de Ejemplos conceptuales. Prrafos de Cuidado Dos dcadas de
investigaciones en la enseanza de la fsica han sacado a la luz
cierto nmero de errores conceptuales comunes entre los estudiantes
de fsica principiantes. stos incluyen las ideas de que se requiere
fuerza para que haya movimiento, que la corriente elctrica se
consume a medida que recorre un circuito, y que el pro- ducto de la
masa de un objeto por su aceleracin constituye una fuerza en s
mismo. Los prrafos de Cuidado alertan a los lectores sobre stos y
otros errores, y explican por qu est equivocada cierta manera de
pensar en una situacin (en la que tal vez ya haya incurrido el
estudiante. Notacin y unidades Es frecuente que los estudiantes
tengan dicultades con la distincin de cules cantidades son vecto-
res y cules no. Para las cantidades vectoriales usamos carac- teres
en cursivas y negritas con una echa encima, como , y ; los vectores
unitarios tales como van testados con un acento circunejo. En las
ecuaciones con vectores se em- plean signos en negritas, 1, 2, 3 y
5, para hacer nfasis en la distincin entre las operaciones
vectoriales y escalares. Se utilizan exclusivamente unidades del SI
(cuando es apropiado se incluyen las conversiones al sistema
ingls). Se emplea el joule como la unidad estndar de todas las
formas de energa, incluida la calorca. d^F S a S v S Flexibilidad
El libro es adaptable a una amplia variedad de formatos de curso.
Hay material suciente para uno de tres se- mestres o de cinco
trimestres. La mayora de los profesores encontrarn que es demasiado
material para un curso de un semestre, pero es fcil adaptar el
libro a planes de estudio de un ao si se omiten ciertos captulos o
secciones. Por ejemplo, es posible omitir sin prdida de continuidad
cualquiera o to- dos los captulos sobre mecnica de uidos, sonido,
ondas electromagnticas o relatividad. En cualquier caso, ningn
profesor debiera sentirse obligado a cubrir todo el libro. Material
complementario para el profesor Los manuales de soluciones para el
profesor, que prepar A. Lewis Ford (Texas A&M University),
contienen solucio- nes completas y detalladas de todos los
problemas de final de captulo. Todas siguen de manera consistente
el mtodo de identicar, plantear, ejecutar y evaluar usado en el
libro. El Manual de soluciones para el profesor, para el volumen 1
cubre los captulos 1 al 20, y el Manual de soluciones para el
profesor, para los volmenes 2 y 3 comprende los cap- tulos 21 a 44.
La plataforma cruzada Administrador de medios ofrece una biblioteca
exhaustiva de ms de 220 applets de ActivPhysics OnLine, as como
todas las guras del libro en formato JPEG. Adems, todas las
ecuaciones clave, las estrategias para resolver problemas, las
tablas y los resmenes de cap- tulos se presentan en un formato de
Word que permite la edicin. Tambin se incluyen preguntas de opcin
mltiple semanales para usarlas con varios Sistemas de Respuesta en
Clase (SRC), con base en las preguntas de la seccin Evale su
comprensin en el libro. MasteringPhysics (www.masteringphysics.com)
es el sis- tema de tareas y enseanza de la fsica ms avanzado y e-
caz y de mayor uso en el mundo. Pone a disposicin de los maestros
una biblioteca de problemas enriquecedores de - nal de captulo,
tutoriales socrticos que incorporan varios tipos de respuestas,
retroalimentacin sobre los errores, y ayuda adaptable (que
comprende sugerencias o problemas ms sencillos, si se solicitan).
MasteringPhysics permite que los profesores elaboren con rapidez
una amplia variedad de tareas con el grado de dicultad y la duracin
apropiadas; adems, les da herramientas ecientes para que analicen
las tendencias de la clase o el trabajo de cualquier estudiante con
un detalle sin precedente y para que comparen los resul- tados ya
sea con el promedio nacional o con el desempeo de grupos
anteriores. Cinco lecciones fciles: estrategias para la enseanza
exi- tosa de la fsica por Randall D. Knight (California Polytechnic
State University, San Luis Obispo), expone ideas creativas acerca
de cmo mejorar cualquier curso de fsica. Es una herramienta
invaluable para los maestros tanto principiantes como veteranos.
Las transparencias contienen ms de 200 guras clave de Fsica
universitaria, decimosegunda edicin, a todo color.
- 16. Prefacio xiii El Banco de exmenes incluye ms de 2000
preguntas de opcin mltiple, incluye todas las preguntas del Banco
de ex- menes. Ms de la mitad de las preguntas tienen valores num-
ricos que pueden asignarse al azar a cada estudiante. Para tener
acceso a este material, consulte a su representante de Pearson
local. Material complementario para el estudiante MasteringPhysics
(www.masteringphysics.com) es el sis- tema de enseanza de la fsica
ms avanzado, usado y probado en el mundo. Es resultado de ocho aos
de estudios detallados acerca de cmo resuelven pro- blemas de fsica
los estudiantes reales y de las reas donde requieren ayuda. Los
estudios revelan que los alumnos que recurren a MasteringPhysics
mejoran de manera sig- ni-cativa sus calicaciones en los exmenes
nales y prue- bas conceptuales como la del Inventario Force
Concept. Mastering-Physics logra esto por medio de dar a los
estudi- antes re-troalimentacin instantnea y especca sobre sus
respuestas equivocadas, proponer a solicitud de ellos proble- mas
ms sencillos cuando no logran avanzar, y asignar una calicacin
parcial por el mtodo. Este sistema individual- izado de tutora las
24 horas de los siete das de la semana es recomendado por nueve de
cada diez alumnos a sus com- paeros como el modo ms ecaz de
aprovechar el tiempo para estudiar. ActivPhysics OnLine
(www.masteringphy- sics.com), incluido ahora en el rea de
autoapren- dizaje de MasteringPhysics, brinda la biblioteca ms
completa de applets y tutoriales basados en stos. ActivPhysics
OnLine fue creado por el pionero de la educacin Alan Van Heuvelen
de Rutgers. A lo largo de la decimosegunda edicin de University
Physics hay iconos que dirigen al estudiante hacia applets especcos
en Activ- Physics OnLine para ayuda interactiva adicional.
Cuadernos de Trabajo de ActivPhysics OnLine, por Alan Van Heuvelen,
Rutgers y Paul dAlessandris, Monroe Community College, presentan
una amplia gama de guas para la enseanza que emplean los applets de
gran aceptacin que ayudan a los estudiantes a desarrollar su
comprensin y con- anza. En particular, se centran en el desarrollo
de la intui- cin, la elaboracin de pronsticos, la prueba
experimental de suposiciones, el dibujo de diagramas ecaces, el
entendi- miento cualitativo y cuantitativo de las ecuaciones clave,
as como en la interpretacin de la informacin grca. Estos cuadernos
de trabajo se usan en laboratorios, tareas o auto- estudio. O N L I
N E
- 17. xiv Prefacio MXICO INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESIME
Culhuacn Luis Daz Hernndez Miguel ngel Morales Pedro Cervantes
UPIICSA Amado F. Garca Ruiz Enrique lvarez Gonzlez Fabiola Martnez
Ziga Francisco Ramrez Torres UPIITA lvaro Gordillo Sol Csar Luna
Muoz Israel Reyes Ramrez Jess Picazo Rojas Jorge Fonseca Campos
INSTITUTO TECNOLGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY Campus
Chihuahua Francisco Espinoza Magaa Silvia Prieto Campus Ciudad de
Mxico Luis Jaime Neri Vitela Rosa Mara Gonzlez Castelln Vctor
Francisco Robledo Rella Campus Cuernavaca Crisanto Castillo
Francisco Giles Hurtado Ral Irena Estrada Campus Culiacn Juan
Bernardo Castaeda Campus Estado de Mxico Elena Gabriela Cabral
Velzquez Elisabetta Crescio Francisco J. Delgado Cepeda Marcela
Martha Villegas Garrido Pedro Anguiano Rojas Ral Gmez Castillo Ral
Martnez Rosado Sergio E. Martnez Casas Campus Mazatln Carlos
Mellado Osuna Eusebio de Jess Guevara Villegas Campus Monterrey
Jorge Lomas Trevio Campus Puebla Abel Flores Amado Idali Caldern
Salas Campus Quertaro Juan Jos Carracedo Lzaro Barajas De La Torre
Lucio Lpez Cavazos Campus Santa Fe Francisco Javier Hernndez Martn
Prez Daz Norma Elizabeth Olvera Tecnolgico de Estudios Superiores
de Ecatepec Antonio Silva Martnez Crispn Ramrez Martnez Fidel
Castro Lpez Guillermo Tenorio Estrada Jess Gonzlez Lemus Leticia
Vera Prez Mara Del Rosario Gonzlez Baales Mauricio Javier Zrate
Snchez Omar Prez Romero Ral Nava Cervantes UNITEC Campus Ecatepec
Inocencio Medina Olivares Julin Rangel Rangel Lorenzo Martnez
Carrillo Garzn Universidad Autnoma de la Ciudad de Mxico Alberto
Garca Quiroz Edith Mireya Vargas Garca Enrique Cruz Martnez Gerardo
Gonzlez Garca Gerardo Oseguera Pea Vernica Puente Vera Vctor Julin
Tapia Garca Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa
Michael Picquar Universidad Iberoamericana, Distrito Federal
Abraham Vilchis Uribe Adolfo Genaro Finck Pastrana Alfredo Sandoval
Villalbazo Anabel Arrieta Ostos Antonio Gen Mora Arturo Bailn
Martnez Carmen Gonzlez Mesa Claudia Camacho Ziga Domitila Gonzlez
Patio Elsa Fabiola Vzquez Valencia Enrique Snchez y Aguilera
Enrique Tllez Fabiani Erich Starke Fabris Esperanza Rojas Oropeza
Francisco Alejandro Lpez Daz Guillermo Aguilar Hurtado Guillermo
Chacn Acosta Guillermo Fernndez Anaya Gustavo Eduardo Soto de la
Vega Jaime Lzaro Klapp Escribano Jimena Bravo Guerrero Jos Alfredo
Heras Gmez Jos Fernando Prez Godnez Jos Luis Morales Hernndez Juan
Cristbal Crdenas Oviedo Lorena Arias Montao Mara Alicia Mayela vila
Martnez Mara de Jess Orozco Arellanes Mariano Bauer Ephrussi Mario
Alberto Rodrguez Meza Rafael Rodrguez Domnguez Rodolfo Fabin
Estrada Guerrero Rodrigo Alberto Rincn Gmez Salvador Carrillo
Moreno Silvia Patricia Ambrosio Cruz Universidad La Salle, Distrito
Federal Israel Wood Cano UNIVERSIDAD NACIONALAUTNOMA DE MXICO
Facultad de Ciencias Agustn Hernndez Agustn Prez Contreras
Agradecimientos Pearson Educacin agradece a los centros de estudios
y profesores usuarios de esta obra por su apoyo y retroalimentacin,
ele- mentos fundamentales para esta nueva edicin de Fsica
universitaria.
- 18. Prefacio xv M. Josena Becerril Tllez-Girn M. Pilar Ortega
Bernal Mara Del Rayo Salinas Vzquez Marta Rodrguez Prez Mauro Cruz
Morales Natalia de la Torre Paola B. Gonzlez Aguirre Praxedis
Israel Santamara Mata Universidad Panamericana, Mxico Rodolfo Cobos
Tllez Universidad Autnoma de Chihuahua Antonino Prez Carlos de la
Vega Eduardo Bentez Read Hctor Hernndez Jos Mora Ruacho Juan Carlos
Senz Carrasco Ral Sandoval Jabalera Ricardo Romero Centeno
Instituto Tecnolgico de Chihuahua Claudio Gonzlez Tolentino Manuel
Lpez Rodrguez Universidad Autnoma de Ciudad Jurez Sergio Flores
Mario Borunda Universidad La Salle Cuernavaca Miguel Pinet Vzquez
Instituto Tecnolgico de Zacatepec Fernando Pona Celn Mateo Sixto
Cortez Rodrguez Nelson A. Mariaca Crdenas Ramiro Rodrguez Salgado
Instituto Tecnolgico de Quertaro Adrin Herrera Olalde Eleazar Garca
Garca Joel Arzate Villanueva Manuel Francisco Jimnez Morales Manuel
Snchez Muiz Marcela Jurez Ros Mario Alberto Montante Garza Mximo
Pliego Daz Ral Vargas Alba Instituto Tecnolgico de Mazatln Jess
Ernesto Gurrola Pea Universidad de Occidente Unidad Culiacn Luis
Antonio Achoy Bustamante VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL
EXPERIMENTAL DE LAS FUERZAS ARMADAS (UNEFA), Maracay Johnny Molleja
Jos Gmez Rubn Len UNIVERSIDAD BICENTENARIA DE ARAGUA (UBA), Maracay
Belkys Ramrez Jos Peralta UNIVERSIDAD CATLICAANDRS BELLO (UCAB),
Caracas Jos Marino. scar Rodrguez Rafael Degugliemo Ada Gutirrez
Alberto Snchez Moreno Alejandro Padrn lvaro Gmez Estrada Andrea
Luisa Aburto Antonio Pacheco Armando Pluma Arturo F. Rodrguez
Beatriz Eugenia Hernndez Rodrguez Carlos Octavio Olvera Bermdez
Edgar Raymundo Lpez Tllez Elba Karen Senz Garca Eliseo Martnez
Elizabeth Aguirre Maldonado Enrique Villalobos Espiridin Martnez
Daz Francisco Javier Rodrguez Gmez Francisco Miguel Prez Ramrez
Gabriel Jaramillo Morales Genaro Muoz Hernndez Gerardo Ovando Ziga
Gerardo Solares Guadalupe Aguilar Gustavo Contreras Mayn Heriberto
Aguilar Jurez Jaime Garca Ruiz Javier Gutirrez S. Jess Vicente
Gonzlez Sosa Jos Carlos Rosete lvarez Juan Carlos Cedeo Vzquez Juan
Galindo Muiz Juan Manuel Gil Prez Juan Ros Hacha Lanzier Efran
Torres Ortiz Lourdes Del Carmen Prez Salazar Luis Andrs Surez
Hernndez Luis Eugenio Tejeda Calvillo Luis Flores Jurez Luis
Humberto Soriano Snchez Luis Javier Acosta Bernal Luis Manuel Len
Rosano M. Alejandra Carmona M. Del Rosario Narvarte G. Mara Del
Carmen Melo Mara Josefa Labrandero Martn Brcenas Escobar Nanzier
Torres Lpez Oliverio Octavio Ortiz Olivera scar Rafael San Romn
Gutirrez Patricia Goldstein Menache Ramn Santilln Ramrez Rigel Gmez
Leal Salvador Villalobos Santiago Gmez Lpez Vctor Manuel Snchez
Esquivel Facultad de Estudios Superiores Zaragoza Javier Ramos
Salamanca Zula Sandoval Villanueva Facultad de Qumica Alicia
Zarzosa Prez Carlos Rins Alonso Csar Reyes Chvez Emilio Orgaz Baque
Fernanda Adriana Camacho Alans Hortensia Caballero Lpez Israel
Santamara Mata Karla M. Daz Gutirrez M. Eugenia Ceballos Silva
- 19. xvi Prefacio Agradecimientos Queremos agradecer a los
cientos de revisores y colegas que han hecho comentarios y
sugerencias valiosos durante la vida de este libro. El continuo
xito de Fsica univer- sitaria se debe en gran medida a sus
contribuciones. Edward Adelson (Ohio State University), Ralph
Alexander (University of Missouri at Rolla), J. G. Anderson, R. S.
Anderson, Wayne Anderson (Sacramento City College), Alex Azima
(Lansing Community College), Dilip Balamore (Nassau Community
College), Harold Bale (University of North Dakota), Arun Bansil
(Northeastern University), John Barach (Vanderbilt University), J.
D. Barnett, H. H. Barschall, Albert Bartlett (University of
Colorado), Paul Baum (CUNY, Queens College), Frederick Becchetti
(University of Michigan), B. Bederson, David Bennum (University of
Nevada, Reno), Lev I. Berger (San Diego State University), Robert
Boeke (William Rainey Harper College), S. Borowitz, A. C. Braden,
James Brooks (Boston University), Nicholas E. Brown (California
Polytechnic State University, San Luis Obispo), Tony Buffa
(California Polytechnic State University, San Luis Obispo), A.
Capecelatro, Michael Cardamone (Pennsylvania State University),
Duane Carmony (Purdue University), Troy Carter (UCLA), P.
Catranides, John Cerne (SUNY at Buffalo), Roger Clapp (University
of South Florida), William M. Cloud (Eastern Illinois University),
Leonard Cohen (Drexel University), W. R. Coker (University of
Texas, Austin), Malcolm D. Cole (University of Missouri at Rolla),
H. Conrad, David Cook (Lawrence University), Gayl Cook (University
of Colorado), Hans Courant (University of Minnesota), Bruce A.
Craver (University of Dayton), Larry Curtis (University of Toledo),
Jai Dahiya (Southeast Missouri State University), Steve Detweiler
(University of Florida), George Dixon (Oklahoma State University),
Donald S. Duncan, Boyd Edwards (West Virginia University), Robert
Eisenstein (Carnegie Mellon University), Amy Emerson Missourn
(Virginia Institute of Technology), William Faissler (Northeastern
Univer- sity), William Fasnacht (U.S. Naval Academy), Paul Feldker
(St. Louis Community College), Carlos Figueroa (Cabrillo College),
L. H. Fisher, Neil Fletcher (Florida State University), Robert
Folk, Peter Fong (Emory University), A. Lewis Ford (Texas A&M
University), D. Frantszog, James R. Gaines (Ohio State University),
Solomon Gartenhaus (Purdue University), Ron Gautreau (New Jersey
Institute of Technology), J. David Gavenda (University of Texas,
Austin), Dennis Gay (University of North Florida), James Gerhart
(University of Washington), N. S. Gingrich, J. L. Glathart, S.
Goodwin, Rich Gottfried (Frederick Community College), Walter S.
Gray (University of Michigan), Paul Gresser (University of
Maryland), Benjamin Grinstein (UC San Diego), Howard Grotch
(Pennsylvania State University), John Gruber (San Jose State
University), Graham D. Gutsche (U.S. Naval Academy), Michael J.
Harrison (Michigan State University), Harold Hart (Western Illinois
University), Howard Hayden (University of Connecticut), Carl
Helrich (Goshen College), Laurent Hodges (Iowa State University),
C. D. Hodgman, Michael Hones (Villanova University), Keith Honey
(West Virginia Institute of Technology), Gregory Hood (Tidewater
Community College), John Hubisz (North Carolina State University),
M. Iona, John Jaszczak (Michigan Technical University), Alvin
Jenkins (North Carolina State University), Robert P. Johnson (UC
Santa Cruz), Lorella Jones (University of Illinois), John Karchek
(GMI Engineering & Management Institute), Thomas Keil
(Worcester Polytechnic Institute), Robert Kraemer (Carnegie Mellon
University), Jean P. Krisch (University of Michigan), Robert A.
Kromhout, Andrew Kunz (Marquette University), Charles Lane (Berry
College), Thomas N. Lawrence (Texas State University), Robert J.
Lee, Alfred Leitner (Rensselaer Polytechnic University), Gerald P.
Lietz (De Paul University), Gordon Lind (Utah State University), S.
Livingston, Elihu Lubkin (University of Wisconsin, Milwaukee),
Robert Luke (Boise State University), David Lynch (Iowa State
Univer- sity), Michael Lysak (San Bernardino Valley College),
Jeffrey Mallow (Loyola University), Robert Mania (Kentucky State
University), Robert Marchina (University of Memphis), David
Markowitz (University of Connecticut), R. J. Maurer, Oren Maxwell
(Florida International University), Joseph L. McCauley (University
of Houston), T. K. McCubbin, Jr. (Pennsylvania State University),
Charles McFarland (University of Missouri at Rolla), James Mcguire
(Tulane University), Lawrence McIntyre (University of Arizona),
Fredric Messing (Carnegie-Mellon University), Thomas Meyer (Texas
A&M University), Andre Mirabelli (St. Peters College, New
Jersey), Herbert Muether (S.U.N.Y., Stony Brook), Jack Munsee
(California State University, Long Beach), Lorenzo Narducci (Drexel
University), Van E. Neie (Purdue University), David A. Nordling (U.
S. Naval Academy), Benedict Oh (Pennsylvania State University), L.
O. Olsen, Jim Pannell (DeVry Institute of Technol- ogy), W. F.
Parks (University of Missouri), Robert Paulson (California State
University, Chico), Jerry Peacher (University of Missouri at
Rolla), Arnold Perlmutter (University of Miami), Lennart Peterson
(University of Florida), R. J. Peterson (University of Colorado,
Boulder), R. Pinkston, Ronald Poling (University of Minnesota), J.
G. Potter, C. W. Price (Millersville University), Francis Prosser
(University of Kansas), Shelden H. Radin, Michael Rapport (Anne
Arundel Community College), R. Resnick, James A. Richards, Jr.,
John S. Risley (North Carolina State University), Francesc Roig
(University of California, Santa Barbara), T. L. Rokoske, Richard
Roth (Eastern Michigan University), Carl Rotter (University of West
Virginia), S. Clark Rowland (Andrews University), Rajarshi Roy
(Georgia Institute of Technology), Russell A. Roy (Santa Fe
Community College), Dhiraj Sardar (University of Texas, San
Antonio), Bruce Schumm (UC Santa Cruz), Melvin Schwartz (St. Johns
University), F. A. Scott, L. W. Seagondollar, Paul Shand
(University of Northern Iowa), Stan Shepherd (Pennsylvania State
University), Douglas Sherman (San Jose State), Bruce Sherwood
(Carnegie Mellon University), Hugh Siefkin (Greenville College),
Tomasz Skwarnicki (Syracuse University), C. P. Slichter, Charles W.
Smith (University of Maine, Orono), Malcolm Smith (University of
Lowell), Ross Spencer (Brigham Young University), Julien Sprott
(University of Wisconsin), Victor Stanionis (Iona College), James
Stith (American Institute of Physics), Chuck Stone (North Carolina
A&T State University), Edward Strother (Florida Institute of
Technology), Conley Stutz (Bradley University), Albert Stwertka
(U.S. Merchant Marine Academy),
- 20. Martin Tiersten (CUNY, City College), David Toot (Alfred
University), Somdev Tyagi (Drexel Uni- versity), F. Verbrugge,
Helmut Vogel (Carnegie Mellon University), Robert Webb (Texas A
& M), Thomas Weber (Iowa State University), M. Russell Wehr,
(Pennsylvania State University), Robert Weidman (Michigan Technical
University), Dan Whalen (UC San Diego), Lester V. Whitney, Thomas
Wiggins (Pennsylvania State University), David Willey (University
of Pittsburgh, Johnstown), George Williams (University of Utah),
John Williams (Auburn University), Stanley Williams (Iowa State
University), Jack Willis, Suzanne Willis (Northern Illinois
University), Robert Wilson (San Bernardino Valley College), L.
Wolfenstein, James Wood (Palm Beach Junior College), Lowell Wood
(University of Houston), R. E. Worley, D. H. Ziebell (Manatee
Community College), George O. Zimmerman (Boston University) Adems,
nos gustara hacer algunos agradecimientos individuales. Quiero dar
gracias de todo corazn a mis colegas de Carnegie Mellon, en
especial a los profesores Robert Kraemer, Bruce Sherwood, Ruth
Chabay, Helmut Vogel y Brian Quinn, por las muchas conversaciones
estimulantes sobre pedagoga de la fsica y su apoyo y nimo durante
la escritura de las ediciones sucesivas de este libro. Tambin estoy
en deuda con las muchas generaciones de estudiantes de Carnegie
Mellon que me ayudaron a aprender lo que es la buena enseanza y la
correcta escri- tura, al mostrarme lo que funciona y lo que no.
Siempre es un gusto y un privilegio expresar mi gratitud a mi
esposa Alice y nuestros hijos Gretchen y Rebecca por su amor, apoyo
y sostn emocional durante la escritura de las distintas dediciones
del libro. Que todos los hombres y mujeres sean bendecidos con un
amor como el de ellos. H.D.Y. Me gustara agradecer a mis colegas
del pasado y el presente en UCSB, incluyendo a Rob Geller, Carl
Gwinn, Al Nash, Elisabeth Nicol y Francesc Roig, por su apoyo
sincero y sus abundantes y tiles plticas. Tengo una deuda de
gratitud en especial con mis primeros maestros Willa Ramsay, Peter
Zimmerman, William Little, Alan Schwettman y Dirk Walecka por
mostrarme qu es una enseanza clara y cautivadora de la fsica, y con
Stuart Johnson por invitarme a ser coautor de Fsica Universitaria a
partir de la novena edicin. Quiero dar gracias en especial al
equipo editorial de Addi- son Wesley y a sus socios: Adam Black por
su visin editorial; Margot Otway por su gran sentido grco y cuidado
en el desarrollo de esta edicin; a Peter Murphy y Carol Reitz por
la lectura cuidadosa del manuscrito; a Wayne Anderson, Charlie
Hibbard, Laird Kramer y Larry Stookey por su trabajo en los
problemas de nal de captulo; y a Laura Kenney, Chandrika Madhavan,
Nancy Tabor y Pat McCutcheon por mantener el ujo editorial y de
produccin. Agradezco a mi padre por su continuo amor y apoyo y por
conservar un espacio abierto en su biblioteca para este libro.
Sobre todo, expreso mi gratitud y amor a mi esposa Caroline, a
quien dedico mi contribucin al libro. Hey, Caroline, al n termin la
nueva edicin. Vmonos a volar! R.A.F. Por favor, dganos lo que
piensa Son bienvenidos los comunicados de estudiantes y profesores,
en especial sobre errores y deciencias que encuentren en esta
edicin. Hemos dedicado mucho tiempo y esfuerzo a la escritura del
mejor libro que hemos podido escribir, y esperamos que le ayude a
ensear y aprender fsica. A la vez, usted nos puede ayudar si nos
hace saber qu es lo que necesita mejorarse Por favor, sintase en
libertad para ponerse en contacto con nosotros por va electrnica o
por correo ordinario. Sus comentarios sern muy apreciados. Octubre
de 2006 Hugh D. Young Roger A. Freedman Departamento de Fsica
Departamento de Fsica Carnegie Mellon University University of
California, Santa Barbara Pittsburgh, PA 15213 Santa Barbara, CA
93106-9530 hdy@andrew.cmu.edu airboy@physics.ucsb.edu
http://www.physics.ucsb.edu/~airboy/ Prefacio xvii
- 21. CONTENIDO 25 CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA ELECTROMOTRIZ
846 25.1 Corriente elctrica 847 25.2 Resistividad 850 25.3
Resistencia 853 25.4 Fuerza electromotriz y circuitos 857 25.5
Energa y potencia en circuitos elctricos 863 *25.6 Teora de la
conduccin metlica 867 Resumen/Trminos clave 871 Preguntas para
anlisis/Ejercicios Problemas 26 CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA 881
26.1 Resistores en serie y en paralelo 881 26.2 Reglas de Kirchhoff
886 26.3 Instrumentos de medicin elctrica 891 26.4 Circuitos R-C
896 26.5 Sistemas de distribucin de energa 900 Resumen/Trminos
clave 905 Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas 27 CAMPO
MAGNTICO Y FUERZAS MAGNTICAS 916 27.1 Magnetismo 916 27.2 Campo
magntico 918 27.3 Lneas de campo magntico y ujo magntico 922 27.4
Movimiento de partculas cargadas en un campo magntico 925 27.5
Aplicaciones del movimiento de partculas cargadas 929 27.6 Fuerza
magntica sobre un conductor que transporta corriente 932 27.7
Fuerza y par de torsin en una espira de corriente 935 *27.8 El
motor de corriente directa 941 *27.9 El Efecto Hall 943
Resumen/Trminos clave 945 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 28 FUENTES DE CAMPO MAGNTICO 957 28.1 Campo magntico de
una carga en movimiento 957 ELECTROMAGNETISMO 21 CARGA ELCTRICA Y
CAMPO ELCTRICO 709 21.1 Carga elctrica 710 21.2 Conductores,
aislantes y cargas inducidas 713 21.3 Ley de Coulomb 716 21.4 El
campo elctrico y las fuerzas elctricas 721 21.5 Clculos de campos
elctricos 727 21.6 Lneas de campo elctrico 733 21.7 Dipolos
elctricos 735 Resumen/Trminos clave 739 Preguntas para
anlisis/Ejercicios Problemas 22 LEY DE GAUSS 750 22.1 Carga y ujo
elctrico 750 22.2 Clculo del ujo elctrico 753 22.3 Ley de Gauss 757
22.4 Aplicaciones de la ley de Gauss 761 22.5 Cargas en conductores
767 Resumen/Trminos clave 772 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 23 POTENCIAL ELCTRICO 780 23.1 Energa potencial elctrica
780 23.2 Potencial elctrico 787 23.3 Clculo del potencial elctrico
794 23.4 Supercies equipotenciales 798 23.5 Gradiente de potencial
801 Resumen/Trminos clave 804 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 24 CAPACITANCIA Y DIELCTRICOS 815 24.1 Capacitores y
capacitancia 816 24.2 Capacitores en serie y en paralelo 820 24.3
Almacenamiento de energa en capacitores y energa de campo elctrico
824 24.4 Dielctricos 828 *24.5 Modelo molecular de la carga
inducida 833 *24.6 La Ley de Gauss en los dielctricos 835
Resumen/Trminos clave 837 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas
- 22. Contenido xix 32 ONDAS ELECTROMAGNTICAS 1092 32.1
Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnticas 1093 32.2 Ondas
electromagnticas planas y rapidez de la luz 1096 32.3 Ondas
electromagnticas sinusoidales 1101 32.4 Energa y cantidad de
movimiento de las ondas electromagnticas 1106 32.5 Ondas
electromagnticas estacionarias 1111 Resumen/Trminos clave 1115
Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas PTICA 33 NATURALEZA Y
PROPAGACIN DE LA LUZ 1121 33.1 La naturaleza de la luz 1121 33.2
Reexin y refraccin 1123 33.3 Reexin interna total 1129 *33.4
Dispersin 1132 33.5 Polarizacin 1133 *33.6 Dispersin de la luz 1142
33.7 Principio de Huygens 1144 Resumen/Trminos clave 1147 Preguntas
para anlisis/Ejercicios Problemas 34 PTICA GEOMTRICA 1157 34.1
Reexin y refraccin en una supercie plana 1157 34.2 Reexin en una
supercie esfrica 1161 34.3 Refraccin en una supercie esfrica 1169
34.4 Lentes delgadas 1174 34.5 Cmaras fotogrcas 1182 34.6 El ojo
1185 34.7 La lente de aumento 1189 34.8 Microscopios y telescopios
1191 Resumen/Trminos clave 1196 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 35 INTERFERENCIA 1207 35.1 Interferencia y fuentes
coherentes 1208 35.2 Interferencia de la luz procedente de dos
fuentes 1211 28.2 Campo magntico de un elemento de corriente 960
28.3 Campo magntico de un conductor que transporta corriente 962
28.4 Fuerza entre alambres paralelos 965 28.5 Campo magntico de una
espira circular de corriente 967 28.6 Ley de Ampre 969 28.7
Aplicaciones de la ley de Ampre 973 *28.8 Materiales magnticos 976
Resumen/Trminos clave 982 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 29 INDUCCIN ELECTROMAGNTICA 993 29.1 Experimentos de
induccin 994 29.2 Ley de Faraday 996 29.3 Ley de Lenz 1004 29.4
Fuerza electromotriz de movimiento 1006 29.5 Campos elctricos
inducidos 1008 *29.6 Corrientes parsitas 1011 29.7 Corriente de
desplazamiento y ecuaciones de Maxwell 1013 *29.8
Superconductividad 1017 Resumen/Trminos clave 1019 Preguntas para
anlisis/Ejercicios Problemas 30 INDUCTANCIA 1030 30.1 Inductancia
mutua 1030 30.2 Autoinductancia e inductores 1034 30.3 Energa del
campo magntico 1038 30.4 El circuito R-L 1041 30.5 El circuito L-C
1045 30.6 El circuito L-R-C en serie 1049 Resumen/Trminos clave
1052 Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas 31 CORRIENTE
ALTERNA 1061 31.1 Fasores y corrientes alternas 1061 31.2
Resistencia y reactancia 1064 31.3 El circuito L-R-C en serie 1070
31.4 Potencia en circuitos de corriente alterna 1074 31.5
Resonancia en los circuitos de corriente alterna 1077 31.6
Transformadores 1080 Resumen/Trminos clave 1084 Preguntas para
anlisis/Ejercicios Problemas
- 23. xx Contenido 35.3 La intensidad en los patrones de
interferencia 1214 35.4 Interferencia en pelculas delgadas 1218
35.5 El interfermetro de Michelson 1224 Resumen/Trminos clave 1227
Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas 36 DIFRACCIN 1234 36.1
Difraccin de Fresnel y Fraunhofer 1235 36.2 Difraccin desde una
sola ranura 1236 36.3 Intensidad en el patrn de una sola ranura
1239 36.4 Ranuras mltiples 1243 36.5 Rejilla de difraccin 1246 36.6
Difraccin de rayos x 1250 36.7 Aberturas circulares y poder de
resolucin 1253 *36.8 Holografa 1256 Resumen/Trminos clave 1259
Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas FSICA MODERNA 37
RELATIVIDAD 1268 37.1 Invariabilidad de las leyes fsicas 1268 37.2
Relatividad de la simultaneidad 1272 37.3 Relatividad de los
intervalos de tiempo 1274 37.4 Relatividad de la longitud 1278 37.5
Transformaciones de Lorentz 1283 *37.6 Efecto Doppler en ondas
electromagnticas 1287 37.7 Cantidad de movimiento relativista 1289
37.8 Trabajo y energa relativistas 1292 37.9 Mecnica newtoniana y
relatividad 1295 Resumen/Trminos clave 1298 Preguntas para
anlisis/Ejercicios Problemas 38 FOTONES, ELECTRONES Y TOMOS 1307
38.1 Emisin y absorcin de la luz 1307 38.2 El efecto fotoelctrico
1309 38.3 Espectros atmicos de lneas y niveles de energa 1314 38.4
El tomo nuclear 1319 38.5 El modelo de Bohr 1322 38.6 El lser 1327
38.7 Produccin y dispersin de rayos x 1330 38.8 Espectros continuos
1334 38.9 Dualidad onda-partcula 1338 Resumen/Trminos clave 1340
Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas 39 LA NATURALEZA
ONDULATORIA DE LAS PARTCULAS 1349 39.1 Ondas de De Broglie 1350
39.2 Difraccin de electrones 1352 39.3 Probabilidad e incertidumbre
1355 39.4 El microscopio electrnico 1360 39.5 Funciones de onda y
la ecuacin de Schrdinger 1361 Resumen/Trminos clave 1368 Preguntas
para anlisis/Ejercicios Problemas 40 MECNICA CUNTICA 1375 40.1
Partcula en una caja 1375 40.2 Pozos de potencial 1380 40.3
Barreras de potencial y tunelamiento 1384 40.4 El oscilador armnico
1387 40.5 Problemas tridimensionales 1392 Resumen/Trminos clave
1394 Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas 41 ESTRUCTURA
ATMICA 1401 41.1 El tomo de hidrgeno 1401 41.2 El efecto Zeeman
1409 41.3 Espn del electrn 1413 41.4 tomos con muchos electrones y
el principio de exclusin 1417 41.5 Espectros de rayos x 1423
Resumen/Trminos clave 1427 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 42 MOLCULAS Y MATERIA CONDENSADA 1433 42.1 Clases de
enlaces moleculares 1433 42.2 Espectros moleculares 1436 42.3
Estructura de los slidos 1441
- 24. Contenido xxi 42.4 Bandas de energa 1445 42.5 Modelo de
electrones libres para los metales 1447 42.6 Semiconductores 1452
42.7 Dispositivos con semiconductores 1455 42.8 Superconductividad
1460 Resumen/Trminos clave 1461 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 43 FSICA NUCLEAR 1468 43.1 Propiedades de los ncleos 1468
43.2 Enlace nuclear y estructura nuclear 1473 43.3 Estabilidad
nuclear y radiactividad 1478 43.4 Actividades y vidas medias 1485
43.5 Efectos biolgicos de la radiacin 1489 43.6 Reacciones
nucleares 1492 43.7 Fisin nuclear 1494 43.8 Fusin nuclear 1498
Resumen/Trminos clave 1502 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas 44 FSICA DE PARTCULAS Y COSMOLOGA 1509 44.1 Las partculas
fundamentales y su historia 1509 44.2 Aceleradores y detectores de
partculas 1514 44.3 Partculas e interacciones 1519 44.4 Los quarks
y las ocho maneras 1525 44.5 El modelo estndar y ms all 1530 44.6
El Universo en expansin 1532 44.7 El principio del tiempo 1538
Resumen/Trminos clave 1547 Preguntas para anlisis/Ejercicios
Problemas Apndices A-1 Respuestas a los problemas con nmero impar
A-9 Crditos de fotografas C-1 ndice I-1
- 25. 21 METAS DE APRENDIZAJE Al estudiar este captulo, usted
aprender: La naturaleza de la carga elctrica y cmo sabemos que sta
se conserva. Cmo se cargan elctricamente los objetos. Cmo usar la
ley de Coulomb para calcular la fuerza elctrica entre cargas. La
diferencia entre fuerza elctrica y campo elctrico. Cmo calcular el
campo elctrico generado por un conjunto de cargas. Cmo usar la idea
de las lneas de campo elctrico para visualizar e interpretar los
campos elctricos. Como calcular las propiedades de los dipolos
elctricos. 709 CARGA ELCTRICA Y CAMPO ELCTRICO ?El agua hace
posible la vida. Las clulas de su cuerpo no podran funcionar sin
agua donde se disolvieran las molculas biolgicas esenciales. Qu
propiedades elctricas del agua la hacen tan buen solvente? E n el
captulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas
funda- mentales. Hasta este momento, la nica de tales fuerzas que
hemos estudiado con cierto detalle es la gravitatoria. Ahora
estamos listos para analizar la fuer- za del electromagnetismo, que
incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Los fenmenos del
electromagnetismo ocuparn nuestra atencin en la mayora de lo que
resta del libro. Las interacciones del electromagnetismo implican
partculas que tienen una pro- piedad llamada carga elctrica, es
decir, un atributo que es tan fundamental como la masa. De la misma
forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzas
gravitatorias, los objetos cargados elctricamente tambin se ven
acelerados por las fuerzas elctricas. La descarga elctrica
inesperada que usted siente cuando de frota sus zapatos contra una
alfombra, y luego toca una perilla metlica, se debe a partcu- las
cargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes
elctricas como las de un relmpago o una televisin tan slo son ujos
de partculas cargadas, que corren por cables en respuesta a las
fuerzas elctricas. Incluso las fuerzas que mantienen uni- dos a los
tomos y que forman la materia slida, evitando que los tomos de
objetos slidos se atraviesen entre s, se deben en lo fundamental a
interacciones elctricas entre las partculas cargadas en el interior
de los tomos. En este captulo comenzamos nuestro estudio del
electromagnetismo con el anli- sis de la naturaleza de la carga
elctrica, la cual est cuantizada y obedece cierto prin- cipio de
conservacin. Despus pasaremos al estudio de las interacciones de
las cargas elctricas en reposo en nuestro marco de referencia,
llamadas interacciones electrostticas, y que tienen muchsima
importancia en la qumica y la biologa, ade- ms de contar con
diversas aplicaciones tecnolgicas. Las interacciones electrostti-
cas se rigen por una relacin sencilla que se conoce como ley de
Coulomb, y es mucho ms conveniente describirlas con el concepto de
campo elctrico. En captulos posteriores incluiremos en nuestro
anlisis cargas elctricas en movimiento, lo que nos llevar a
entender el magnetismo y, en forma notable, la naturaleza de la
luz. Si bien las ideas clave del electromagnetismo son sencillas en
lo conceptual, su aplicacin a cuestiones prcticas requerir muchas
de nuestras destrezas matemticas,
- 26. 710 CAPTULO 21 Carga elctrica y campo elctrico en especial
el conocimiento de la geometra y del clculo integral. Por esta
razn, el lector ver que este captulo y los siguientes son ms
demandantes en cuanto a nivel matemtico que los anteriores. La
recompensa por el esfuerzo adicional ser una me- jor comprensin de
los principios que se encuentran en el corazn de la fsica y la tec-
nologa modernas. 21.1 Carga elctrica En una poca tan remota como
600 A.C., los griegos de la antigedad descubrieron que cuando
frotaban mbar contra lana, el mbar atraa otros objetos. En la
actualidad decimos que con ese frotamiento el mbar adquiere una
carga elctrica neta o que se carga. La palabra elctrico se deriva
del vocablo griego elektron, que signica m- bar. Cuando al caminar
una persona frota sus zapatos sobre una alfombra de nailon, se
carga elctricamente; tambin carga un peine si lo pasa por su
cabello seco. Las varillas de plstico y un trozo de piel (verdadera
o falsa) son especialmente buenos para demostrar la electrosttica,
es decir, la interaccin entre cargas elctri- cas en reposo (o casi
en reposo). La gura 21.1a muestra dos varillas de plstico y un
trozo de piel. Observamos que despus de cargar las dos varillas
frotndolas contra un trozo de piel, las varillas se repelen. Cuando
frotamos varillas de vidrio con seda, las varillas de vidrio tambin
se car- gan y se repelen entre s (gura 21.1b). Sin embargo, una
varilla de plstico cargada atrae otra varilla de vidrio tambin
cargada; adems, la varilla de plstico y la piel se atraen, al igual
que el vidrio y la seda (gura 21.1c). Estos experimentos y muchos
otros parecidos han demostrado que hay exacta- mente dos tipos de
carga elctrica: la del plstico cuando se frota con piel y la del
vi- drio al frotarse con seda. Benjamn Franklin (1706-1790) sugiri
llamar a esas dos clases de carga negativa y positiva,
respectivamente, y tales nombres an se utilizan. La varilla de
plstico y la seda tienen carga negativa; en tanto que la varilla de
vidrio y la piel tienen carga positiva. Dos cargas positivas se
repelen entre s, al igual que dos cargas negativas. Una carga
positiva y una negativa se atraen. + ++ ++ ++ ++ ++ + + +
PlsticoPiel a) Interaccin entre varillas de plstico cuando se
frotan con piel pero despus de frotarlas con piel, las varillas se
repelen. Dos varillas de plstico simples ni se atraen ni se repelen
Seda Vidrio b) Interaccin entre varillas de vidrio cuando se frotan
con seda ++ + + + + + + + + pero despus de frotarlas con seda, las
varillas se repelen. Dos varillas de vidrio simples ni se atraen ni
se repelen entre s c) Interaccin entre objetos con cargas opuestas
++ + + + y la piel y el vidrio atraen cada uno a la varilla que
frotaron. La varilla de plstico frotada con piel y la varilla de
vidrio frotada con seda se atraen 21.1 Experimentos de
electrosttica. a) Los objetos cargados negativamente se repelen
entre s. b) Los objetos cargados positivamente se repelen entre s.
c) Los objetos con carga positiva se atraen con los objetos que
tienen carga negativa.
- 27. 21.1 Carga elctrica 711 Tinta (con carga positiva) Papel
(se alimenta hacia la izquierda) Tambor rotatorio formador de
imgenes 1 Un conductor esparce iones sobre el tambor, dndole a ste
una carga positiva. 2 El rayo lser escribe sobre el tambor, con lo
que carga negativamente las reas donde estar la imagen. 3 El
rodillo aplica al tambor tinta cargada positivamente. La tinta se
adhiere slo a las reas del tambor con carga negativa donde el lser
escribi. 4 Los conductores esparcen una carga negativa ms fuerte
sobre el papel para que la tinta se adhiera. 5 Los rodillos de
fusin calientan el papel para que la tinta se adhiera en forma
permanente. 6 La lmpara descarga el tambor para dejarlo listo para
iniciar de nuevo el proceso. ++ + ++ ++ ++ + + + ++ + + + + + + ++
+ + + + + + 21.2 Esquema de la operacin de una impresora lser.
CUIDADO Atraccin y repulsin elctricas En ocasiones, la atraccin y
la repulsin de dos objetos cargados se resume como cargas iguales
se repelen, y cargas opuestas se atraen. Sin embargo, tenga en
cuenta que la frase cargas iguales no signica que las dos car- gas
sean idnticas, sino slo que ambas carga tienen el mismo signo
algebraico (ambas positi- vas o ambas negativas). La expresin
cargas opuestas quiere decir que los dos objetos tienen carga
elctrica de signos diferentes (una positiva y la otra negativa).
Una aplicacin tecnolgica de las fuerzas entre cuerpos cargados es
una impre- sora lser (figura 21.2). Al inicio del proceso de
impresin, se da una carga positiva al tambor formador de imgenes
que es sensible a la luz. Mientras el tambor gira, un rayo lser
ilumina reas seleccionadas del tambor, lo cual deja tales reas con
carga negativa. Partculas cargadas positivamente de la tinta se
adhieren slo en las superficies del tambor en que el lser escribi.
Cuando una hoja del papel entra en contacto con el tambor,
partculas de la tinta se adhieren a la hoja y forman la imagen.
Carga elctrica y la estructura de la materia Cuando se carga una
varilla frotndola con piel o con seda, como en la gura 21.1, no hay
ningn cambio visible en la apariencia de la varilla. Entonces, qu
es lo que realmente sucede a la varilla cuando se carga? Para
responder esta pregunta, debemos analizar ms de cerca la estructura
y las propiedades elctricas de los tomos, que son los bloques que
constituyen la materia ordinaria de todas clases. La estructura de
los tomos se describe en trminos de tres partculas: el elec- trn,
con carga negativa; el protn, cuya carga es positiva; y el neutrn,
sin carga (figura 21.3) El protn y el neutrn son combinaciones de
otras entidades llama- das quarks, que tienen cargas de y de la
carga del electrn. No se han obser- vado quarks aislados, y no hay
razones tericas para suponer que en principio esto sea imposible.
Los protones y los neutrones en un tomo forman el ncleo, pequeo y
muy den- so, cuyas dimensiones son del orden de 1015 m. Los
electrones rodean al ncleo a distancias del orden de 1010 m. Si un
tomo midiera algunos kilmetros de dime- tro, su ncleo tendra el
tamao de una pelota de tenis. Los electrones cargados ne-
gativamente se mantienen dentro del tomo gracias a fuerzas
elctricas de atraccin que se extienden hasta ellos, desde el ncleo
con carga positiva. (Los protones y los neutrones permanecen dentro
del ncleo estable de los tomos, debido al efecto de atraccin de la
fuerza nuclear fuerte, que vence la repulsin elctrica entre los
proto- nes. La fuerza nuclear fuerte es de corto alcance, por lo
que sus efectos no llegan ms all del ncleo.) 62 361 3 21.3 La
estructura de un tomo. El tomo que se ilustra es el de litio (vase
la gura 21.4a).
- 28. 712 CAPTULO 21 Carga elctrica y campo elctrico Las masas de
las partculas individuales, con la precisin que se conocen actual-
mente, son Los nmeros entre parntesis son las incertidumbres en los
dos ltimos dgitos. Ob- serve que las masas del protn y del neutrn
son casi iguales y aproximadamente 2000 veces la masa del electrn.
Ms del 99.9% de la masa de cualquier tomo se concentra en el ncleo.
La carga negativa del electrn tiene (dentro del error experimental)
exactamente la misma magnitud que la carga positiva del protn. En
un tomo neutral, el nmero de electrones es igual al nmero de
protones en el ncleo; en tanto que la carga elctrica neta (la suma
algebraica de todas las cargas) es exactamente igual a cero (gura
21.4a). El nmero de protones o electrones en un tomo neutro de un
elemento se de- nomina nmero atmico del tal elemento. Si se pierden
uno o ms electrones, la es- tructura con carga positiva que queda
se llama ion positivo (gura 21.4b). Un tomo negativo es aquel que
ha ganado uno o ms electrones (gura 21.4c). Tal ganancia o prdida
de electrones recibe el nombre de ionizacin. Cuando el nmero total
de protones en un cuerpo macroscpico es igual al nme- ro total de
electrones, la carga total es igual a cero y el cuerpo en su
totalidad es elc- tricamente neutro. Para dar a un cuerpo una carga
excedente negativa, se puede tanto sumar cargas negativas como
eliminar cargas positivas de dicho cuerpo. En forma similar, un
exceso de carga positiva se crea cuando se agregan cargas
positivas, o cuando se eliminan cargas negativas. En la mayora de
casos, se agregan o se elimi- nan electrones con carga negativa (y
muy mviles); un cuerpo cargado positivamen- te es aquel que ha
perdido algunos de su complemento normal de electrones. Cuando
hablamos de la carga de un cuerpo, siempre nos referimos a su carga
neta, la cual siempre es una fraccin muy pequea (comnmente no mayor
de 10212 ) de la car- ga total positiva o negativa en el cuerpo. La
carga elctrica se conserva En el anlisis anterior hay implcitos dos
principios muy importantes. El primero es el principio de
conservacin de la carga: La suma algebraica de todas las cargas
elctricas en cualquier sistema cerrado es constante. Si se frota
una varilla de plstico con un trozo de piel, ambas sin carga al
inicio, la va- rilla adquiere una carga negativa (pues toma
electrones de la piel), y la piel adquiere una carga positiva de la
misma magnitud (ya que ha perdido el mismo nmero de Masa del neutrn
5 mn 5 1.674927281292 3 10227 kg Masa del protn 5 mp 5
1.672621711292 3 10227 kg Masa del electrn 5 me 5 9.1093826116 2 3
10231 kg Protones (1) Neutrones Electrones (2) Los electrones
igualan a los protones: carga neta cero. a) tomo neutro de litio
(Li): 3 protones (31) 4 neutrones 3 electrones (32) Menos
electrones que protones: carga neta positiva. b) Ion positivo de
litio (Li1 ): 3 protones (31) 4 neutrones 2 electrones (22) Ms
electrones que protones: carga neta negativa. c) Ion negativo de
litio (Li2 ): 3 protones (31) 4 neutrones 4 electrones (42) 21.4 a)
Un tomo neutro tiene tantos electrones como protones. b) Un ion
positivo tienen un dcit de electrones. c) Un ion negativo tiene
exceso de electrones. (Las rbitas son una representacin esquemtica
de la distribucin real de los electrones, que es una nube difusa
muchas veces mayor que el ncleo.)
- 29. 21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidas 713
electrones que gan la varilla). De ah que no cambie la carga
elctrica total en los dos cuerpos tomados en conjunto. En cualquier
proceso de carga, sta no se crea ni se destruye, solo se transere
de un cuerpo a otro. Se considera que el principio de conservacin
de la carga es una ley universal, pues no se ha observado ninguna
evidencia experimental de que se contravenga. Aun en las
interacciones de alta energa donde se crean y destruyen partculas,
como en la creacin de pares electrn-positrn, la carga total de
cualquier sistema cerrado es constante con toda exactitud. El
segundo principio importante es: La magnitud de la carga del
electrn o del protn es la unidad natural de carga. Toda cantidad
observable de carga elctrica siempre es un mltiplo entero de esta
uni- dad bsica. Decimos que la carga est cuantizada. Un ejemplo de
cuantizacin que resulta familiar es el dinero. Cuando se paga en
efectivo por un artculo en una tienda, hay que hacerlo en
incrementos de un centavo. El dinero no se puede dividir en canti-
dades menores de un centavo; en tanto que la carga elctrica no se
divide en cantida- des menores que la carga de un electrn o un
protn. (Es probable que las cargas de los quarks, de y , no sean
observables como cargas aisladas.) Entonces, la car- ga de
cualquier cuerpo macroscpico siempre es igual a cero o a un mltiplo
entero (negativo o positivo) de la carga del electrn. La comprensin
de la naturaleza elctrica de la materia abre la perspectiva de mu-
chos aspectos del mundo fsico (gura 21.5). Los enlaces qumicos que
mantienen unidos a los tomos para formar molculas se deben a las
interacciones elctricas en- tre ellos. Incluyen los enlaces inicos
fuertes que unen a los tomos de sodio y cloro para formar la sal de
mesa, y los enlaces relativamente dbiles entre las cadenas de DNA
que contienen nuestro cdigo gentico. La fuerza normal que ejerce
sobre usted la silla en que se sienta proviene de fuerzas elctricas
entre las partculas cargadas, en los tomos de usted y los de la
silla. La fuerza de tensin en una cuerda que se estira y la fuerza
de adhesin de un pegamento se parecen en que se deben a las
interacciones elctricas de los tomos. 62 361 3 Evale su comprensin
de la seccin 21.1 a) Estrictamente hablando, la varilla de plstico
de la gura 21.1 pesa ms, menos o lo mismo despus de frotarla con la
piel? b) Y la varilla de vidrio una vez que se frota con seda? Qu
pasa con c) la piel y d) la seda? 21.2 Conductores, aislantes y
cargas inducidas Ciertos materiales permiten que las cargas
elctricas se muevan con facilidad de una regin del material a la
otra, mientras que otros no lo hacen. Por ejemplo, en la gura 21.6a
se ilustra un alambre de cobre sostenido por una cuerda de nailon.
Suponga que usted toca un extremo del alambre con una varilla de
plstico cargado, y su otro extre- mo lo une con una esfera metlica
que, al principio, est sin carga; despus, quita la varilla cargada
y el alambre. Cuando acerca otro cuerpo cargado a la esfera (guras
21.6b y 21.6c), sta se ve atrada o repelida, lo cual demuestra que
se carg elctrica- mente. Se transri carga elctrica entre la esfera
y la supercie de la varilla de pls- tico, a travs del alambre de
cobre. El alambre de cobre recibe el nombre de conductor de
electricidad. Si se repite el experimento con una banda de caucho o
un cordn de nailon en vez del alambre, se ver que no se transere
carga a la esfera. Esos materiales se denominan aislantes. Los
conductores permiten el movimiento fcil de las cargas a travs de
ellos; mien- tras que los aislantes no lo hacen. (En la gura 21.6,
los cordones de nailon que sos- tienen son aislantes, lo cual evita
que escape la carga de la esfera metlica y del alambre de cobre.)
Por ejemplo, las bras de una alfombra en un da seco son buenos
aislantes. Cuan- do usted camina sobre ella, la friccin de los
zapatos contra las bras hace que la carga 21.5 La mayora de las
fuerzas que actan sobre este esquiador acutico son elctricas. Las
interacciones elctricas entre molculas adyacentes originan la
fuerza del agua sobre el esqu, la tensin en la cuerda y la
resistencia del aire sobre el cuerpo del individuo. Las
interacciones elctricas tambin mantienen juntos los tomos del
cuerpo del esquiador. Slo hay una fuerza por completo ajena a la
elctrica que acta sobre el esquiador: la fuerza de la
gravedad.
- 30. 714 CAPTULO 21 Carga elctrica y campo elctrico se acumule
en su cuerpo y ah permanezca, porque no puede uir por las bras
aislantes. Si despus usted toca un objeto conductor, como una
perilla, ocurre una transferencia rpida de la carga entre sus dedos
y la perilla, por lo que siente una descarga. Una for- ma de
evitarlo consiste en enrollar algunas de las bras de la alfombra
alrededor de los centros conductores, de modo que cualquier carga
que se acumule sobre una persona se transera a la alfombra de
manera inofensiva. Otra solucin es cubrir la alfombra con una
sustancia antiesttica que no transera fcilmente electrones hacia
los zapa- tos o desde stos; as se evita que se acumulen cargas en
el cuerpo. La mayor parte de metales son buenos conductores; en
tanto que los no metales son aislantes en su mayora. Dentro de un
slido metlico, como el cobre, uno o ms de los electrones externos
de cada tomo se liberan y mueven con libertad a travs del material,
en forma parecida a como las molculas de un gas se desplazan por
los es- pacios entre los granos de un recipiente de arena. El
movimiento de esos electrones con carga negativa lleva la carga a
travs del metal. Los dems electrones permane- cen unidos a los
ncleos con carga positiva, que a la vez estn unidos en posiciones
casi jas en el material. En un material aislante no hay electrones
libres, o hay muy pocos, y la carga elctrica no se mueve con
facilidad a travs del material. Algunos materiales se denominan
semiconductores porque tienen propiedades intermedias en- tre las
de buenos conductores y buenos aislantes. Carga por induccin Una
esfera de metal se puede cargar usando un alambre de cobre y una
varilla de plstico elctricamente cargada, como se indica en la gura
21.6a. En este proceso, algunos de los electrones excedentes en la
varilla se transeren hacia la esfera, lo cual deja a la varilla con
una carga negativa ms pequea. Hay otra tcnica diferente con la que
la varilla de plstico da a otro cuerpo una carga de signo
contrario, sin que pierda una parte de su propia carga. Este
proceso se llama carga por induccin. En la gura 21.7 se muestra un
ejemplo de carga por induccin. Una esfera me- tlica sin carga se
sostiene usando un soporte aislante (gura 21.7a). Cuando se le
acerca una varilla con carga negativa, sin que llegue a tocarla
(figura 21.7b), los electrones libres en la esfera metlica son
repelidos por los electrones excedentes en la varilla, y se
desplazan hacia la derecha, lejos de la varilla. No pueden escapar
de la esfera porque tanto el soporte como el aire circundante son
aislantes. Por lo tanto, existe un exceso de carga negativa en la
supercie derecha de la esfera y una decien- cia de carga negativa
(es decir, hay una carga positiva neta) en su supercie izquierda.
Estas cargas excedentes se llaman cargas inducidas. No todos los
electrones libres se mueven a la supercie derecha de la esfera. Tan
pronto como se desarrolla cualquier carga inducida, ejerce fuerzas
hacia la izquierda sobre los dems electrones libres. Estos
electrones son repelidos por la carga negativa inducida a la
derecha y atrados hacia la carga positiva inducida a la izquierda.
El sis- tema alcanza el equilibrio donde la fuerza hacia la derecha
sobre un electrn, debida a la varilla cargada, queda equilibrada
por la fuerza hacia la izquierda debida a la carga inducida. Si se
retira la varilla cargada, los electrones libres regresan a la
izquierda y se restablece la condicin de neutralidad original. + +
++ + Cordones de nailon aislantes Esfera metlica Alambre de cobre
Varilla de plstico cargada Varilla de vidrio cargada Varilla de
plstico cargada El alambre conduce carga de la varilla de plstico
cargada negativamente a la esfera de metal. y la varilla de vidrio
cargada positivamente atrae la esfera. Ahora, una varilla de
plstico con carga negativa repele la esfera a) b) c) 21.6 El cobre
es un buen conductor de la electricidad; el nailon es un buen
aislante. a) El alambre de cobre conduce cargas entre la esfera
metlica y la varilla de plstico cargada, y as carga negativamente
la esfera. Despus, la esfera de metal es b) repelida por una
varilla de plstico con carga negativa, y c) atrada a una varilla de
vidrio con carga positiva. + + + + + + + + + + + + + ++ + Esfera
metlica Soporte aislante Acumulacin de electrones Deficiencia de
electrones Varilla con carga nega- tiva Tierra Alambre Carga
negativa en la tierra a) Esfera metlica sin carga. b) La carga
negativa en la varilla repele a los electrones, lo que crea zonas
de carga inducida negativa y positiva. c) El alambre permite que
los electrones acumulados (carga negativa inducida) fluyan hacia la
tierra. d) Se quita el conductor; ahora, la esfera tiene slo una
regin con deficiencia de electrones, con carga positiva. e) Se
quita la varilla; los electrones se reacomodan por s solos, y toda
la esfera tiene una deficiencia de electrones (carga neta
positiva). 21.7 Carga de una esfera metlica por induccin.
- 31. 21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidas 715 Qu
pasara si, mientras la varilla de plstico se encuentra cerca, el
extremo de un alambre conductor se pusiera en contacto con la
supercie derecha de la esfera, y el otro extremo de ste se
conectara a tierra (gura 21.7c)? La Tierra es un conductor, y es
tan grande que acta como una fuente prcticamente innita de
electrones adicionales o co- mo un receptor de los electrones no
deseados. Algunas de las cargas negativas uyen a tierra a travs del
alambre. Ahora suponga que desconecta el alambre (gura 21.7d) y
luego se quita la varilla (gura 21.7e); en la esfera queda una
carga positiva neta. Du- rante este proceso, no cambi la carga
negativa de la varilla. La tierra adquiere una car- ga negativa de
magnitud igual a la carga positiva inducida que queda en la esfera.
La carga por induccin funcionara igual de bien si las cargas mviles
en la esfera fueran positivas, en vez de electrones cargados
negativamente, o incluso si estuvieran presentes cargas tanto
positivas como negativas. En un conductor metlico, las cargas
mviles siempre son electrones negativos; sin embargo, con
frecuencia conviene descri- bir un proceso como si las cargas en
movimiento fueran positivas. En las soluciones ini- cas y los gases
ionizados, las cargas que se mueven son tanto positivas como
negativas. Fuerzas elctricas en objetos sin carga Por ltimo, se
observa que un cuerpo con carga ejerce fuerzas aun sobre objetos
que no estn cargados. Si usted frota un globo contra la alfombra y
despus lo coloca junto al te- cho, el globo se adherir a ste, aun
cuando el techo no tiene carga elctrica neta. Despus de que
electrica un peine pasndolo por su cabello, puede atraer con tal
peine trocitos de papel o de plstico que no estn cargados (gura
21.8a). Cmo es posible esto? Esta interaccin es un efecto de carga
inducida. Incluso en un aislante, las cargas elc- tricas pueden
desplazarse un poco en un sentido u otro cuando hay otra carga
cerca. Esto se ilustra en la gura 21.8b; el peine de plstico
cargado negativamente ocasiona un cam- bio ligero de carga dentro
de las molculas del aislante neutro: el efecto llamado polari-
zacin. Las cargas positivas y negativas en el material se hallan
presentes en cantidades iguales; no obstante, las cargas positivas
estn ms cerca del peine de plstico, por lo que reciben una fuerza
de atraccin mayor que la fuerza de repulsin que se ejerce sobre las
cargas negativas, dando as una fuerza de atraccin neta. (En la
seccin 21.3 estudiaremos el modo en que las fuerzas elctricas
dependen de la distancia.) Observe que un aislante neutro tambin es
atrado por un peine cargado positivamente (gura 21.8c). Ahora las
cargas en el aislante se mueven en la direccin opuest