Excepto por las preguntas de los apartados de Comprueba tu aprendizaje, sólo se dan las respuestas de los numerales impares
9.1 El tiempo para que fluya 1,00 C de carga sería Δt = ΔQ/I = 1.00 C /0.300 × 10-3 C/s = 3,33 × 103 s, un poco menos de una hora. Esto es bastante diferente de los 5,55 ms de la batería del camión. La calculadora requiere una cantidad muy pequeña de energía para funcionar, a diferencia del motor de arranque del camión. Hay varias razones por las cuales los vehículos usan baterías y no células solares. Aparte del hecho obvio de que una fuente de luz para hacer funcionar las células solares para un automóvil o camión no siempre está disponible, la gran cantidad de corriente necesaria para arrancar el motor no puede ser facilitada fácilmente por las células solares actuales. Las celdas solares pueden usarse para cargar las baterías. Cargar la batería requiere una pequeña cantidad de energía en comparación con la energía requerida para hacer funcionar el motor y los otros accesorios como el calentador y el aire acondicionado. Los automóviles de energía solar actuales se alimentan con paneles solares, que pueden alimentar un motor eléctrico, en lugar de un motor de combustión interna.
9.2 La corriente total necesaria para todos los aparatos en la sala de estar (algunas lámparas, un televisor y su computadora portátil) consumen menos corriente y requieren menos energía que el refrigerador.
9.3 El diámetro del cable de calibre 14 es más pequeño que el diámetro del cable de calibre 12. Como la velocidad de deriva es inversamente proporcional al área de la sección transversal, la velocidad de deriva en el cable de calibre 14 es mayor que la velocidad de deriva en el cable de calibre 12 que transporta la misma corriente. La cantidad de electrones por metro cúbico permanecerá constante.
9.4 La densidad de corriente en un cable conductor aumenta debido a un aumento en la corriente. La velocidad de deriva es inversamente proporcional a la corriente (vd = I/nqA), por lo que la velocidad de deriva disminuiría.
9.5 Plata, oro y aluminio se utilizan para hacer cables. Los cuatro materiales tienen una alta conductividad, la plata tiene el más alto. Los cuatro pueden trazarse fácilmente en cables y tener una alta resistencia a la tracción, aunque no tan altos como el cobre. La desventaja obvia del oro y la plata es el costo, pero los cables plateados y dorados se utilizan para aplicaciones especiales, como los cables de los altavoces. El oro no se oxida, lo que hace que haya mejores conexiones entre los componentes. Los cables de aluminio tienen sus inconvenientes. El aluminio tiene una resistividad más alta que el cobre, por lo que se necesita un diámetro mayor para que coincida con la resistencia por longitud de los cables de cobre, pero el aluminio es más barato que el cobre, por lo que este no es un inconveniente importante. Los alambres de aluminio no tienen una ductilidad y resistencia a la tracción tan alta como el cobre, pero la ductilidad y la resistencia a la tracción se encuentran dentro de niveles aceptables. Hay algunas preocupaciones que deben abordarse al usar aluminio y se debe tener cuidado al hacer las conexiones. El aluminio tiene una mayor tasa de expansión térmica que el cobre, lo que puede provocar conexiones sueltas y un posible riesgo de incendio. La oxidación del aluminio no conduce y puede causar problemas. Se deben usar técnicas especiales cuando se usan alambres de aluminio y los componentes, como los enchufes eléctricos, deben diseñarse para aceptar alambres de aluminio.
9.6 El patrón de la lámina se estira a medida que el soporte se estira, y las pistas de la lámina se hacen más largas y delgadas. Dado que la resistencia se calcula como R = ρL/A, la resistencia aumenta a medida que se estiran las pistas de la lámina. Cuando la temperatura cambia, también lo hace la resistividad de las pistas de aluminio, cambiando la resistencia. Una forma de combatir esto es usar dos medidores de tensión, uno utilizado como referencia y el otro utilizado para medir la tensión. Los dos medidores de tensión se mantienen a una temperatura constante.
9.7 Cuanto mayor es la longitud, menor es la resistencia. Cuanto mayor es la resistividad, mayor es la resistencia. Cuanto mayor es la diferencia entre el radio exterior y el radio interior, es decir, cuanto mayor es la relación entre los dos, mayor es la resistencia. Si intentas maximizar la resistencia, la elección de los valores para estas variables dependerá de la aplicación. Por ejemplo, si el cable debe ser flexible, la elección de los materiales puede ser limitada.
9.8 Sí, la ley de Ohm sigue siendo válida. En cada punto del tiempo, la corriente es igual a I(t) = V(t)/R, por lo que la corriente también es una función del tiempo, I(t) = Vmax/Rsen(2πft).
9.9 Aunque los motores eléctricos son altamente eficientes, del 10 al 20% de la energía consumida se desperdicia y no se usa para hacer un trabajo útil. La mayor parte del 10-20% de la potencia perdida se transfiere al calor disipado por los cables de cobre utilizados para hacer las bobinas del motor. Este calor se suma al calor del medio ambiente y se suma a la demanda de las centrales eléctricas que proporcionan la energía. La demanda en la planta de energía puede conducir a un aumento de los gases de efecto invernadero, especialmente si la planta de energía utiliza carbón o gas como combustible.
9.10 No, la eficiencia es una consideración muy importante de las bombillas, pero hay muchas otras consideraciones. Como se mencionó anteriormente, el costo de los bulbos y la vida útil de los bulbos son consideraciones importantes. Por ejemplo, las bombillas CFL contienen mercurio, una neurotoxina, y deben desecharse como desechos peligrosos. Cuando reemplaces las bombillas incandescentes que están siendo controladas por un atenuador de luz con LED, es posible que sea necesario reemplazar el atenuador de luz. Los reguladores de intensidad para luces LED tienen un precio comparable a los interruptores de luz incandescente, pero este es un costo inicial que debe considerarse. También se debe considerar el espectro de la luz, pero hay una amplia gama de temperaturas de color disponibles, por lo que deberías poder encontrar una que se ajuste a tus necesidades. Ninguna de estas consideraciones mencionadas pretenden desalentar el uso de bombillas LED o CFL, pero son consideraciones.
1. Si un cable transporta una corriente, las cargas ingresan al cable desde la terminal positiva de la fuente de voltaje y salen hacia la terminal negativa, de modo que la carga total permanece en cero mientras la corriente fluye a través de ella.
3. Usar una mano reducirá la posibilidad de "completar el circuito" y que la corriente corra por tu cuerpo, especialmente la corriente que corre a través de tu corazón.
5. Aunque los electrones colisionan con los átomos y otros electrones en el cable, viajan desde el terminal negativo al terminal positivo, por lo que se desplazan en una dirección. Las moléculas de gas viajan en direcciones completamente aleatorias.
7. En los primeros años de las bombillas, las bombillas se evacuan parcialmente para reducir la cantidad de calor que se transmite por el aire a la envoltura de vidrio. Disipar el calor enfría el filamento, aumentando la cantidad de energía necesaria para producir luz a partir del filamento. También protege el vidrio del calor producido por el filamento caliente. Si el vidrio se calienta, se expande y, a medida que se enfría, entra en contacto. Esta expansión y contracción podría causar que el vidrio se vuelva quebradizo y se agriete, reduciendo la vida útil de los bulbos. Muchos bulbos ahora están parcialmente llenos con un gas inerte. También es útil eliminar el oxígeno para reducir la posibilidad de que el filamento realmente se queme. Cuando los filamentos originales fueron reemplazados con filamentos de tungsteno más eficientes, los átomos del tungsteno se evaporarían del filamento a altas temperaturas. Los átomos colisionan con los átomos del gas inerte y vuelven a aterrizar en el filamento.
9. En el carbono, la resistividad aumenta con la cantidad de impurezas, lo que significa menos cargas libres. En el silicio y el germanio, las impurezas disminuyen la resistividad, lo que significa más electrones libres.
11. El cobre tiene una resistividad menor que el aluminio, por lo que si la longitud es la misma, el cobre debe tener el diámetro más pequeño.
13. El dispositivo B muestra una relación lineal y el dispositivo es óhmico.
15. Aunque los conductores tienen una resistencia baja, las líneas de la compañía eléctrica pueden tener kilómetros de longitud. El uso de un alto voltaje reduce la corriente que se requiere para abastecer la demanda de energía y reduce las pérdidas de línea.
17. La resistencia se sobrecalentaría, posiblemente hasta el punto de hacer que la resistencia se quemara. Los fusibles comúnmente se agregan a los circuitos para evitar dichos accidentes.
19. Las temperaturas muy bajas requieren refrigeración. Algunos materiales requieren nitrógeno líquido para enfriarlos por debajo de sus temperaturas críticas. Otros materiales pueden necesitar helio líquido, que es incluso más costoso.
21. a. v = 4.38 × 105 m/s;
b. Δq = 5.00 × 10-3 C, no. de protones = 3.13 × 1016
23. I = ΔQ/Δt, ΔQ = 12.00 C
no. de electrones = 7.46 × 1015
25. I (t) = 0.016C/s4t3 - 0.001C/s
I(3.00 s) = 0.431 A
27. I(t) = -Imaxsen(ωt + φ)
29. |J| = 15.92 A/m2
31 I = 40 mA
33. a. |J| = 7.60 × 105 A/m2; b. vd = 5.60 × 10-5 m/s
35. R = 6.750 kΩ
37. R = 0.10Ω
39. R = ρL/ALA; L = 3 mm
41. RAl/LAl/RCu/LCu = = ρAl/ρCu(DCu/DAl)2 = 1,
DAl/DCu = √ρAl/ρCu/
43. a. R = R0(1 + αΔT), 2 = 1 + αΔT, ΔT = 256,4 °C, T = 276,4 °C;
b. En condiciones normales, no debería ocurrir.
45. R = R0(1 + αΔT), α = 0.006 ° C-1
47. a. R = ρL/A, ρ = 2.44 × 10-8 Ω • m, oro;
b. R = ρL/A(1 + αΔT)
R = 2.44 × 10-8 Ω • m( 25 m /π(0.100 × 10-3 m/2)2)(1 + 0.0034 °C-1 (150 °C − 20 °C))
R = 112 Ω
49. RFe = 0.525 Ω, RCu = 0.500 Ω, αFe = 0.0065 °C-1, αCu = 0.0039 °C-1
RFe = RCu
R0Fe (1 + αFe(T - T0)) = R0Cu(1 + αCu(T - T0))
R0Fe/R0Cu(1 + αFe(T - T0)) = 1 + αCu(T - T0), T = 2.91 °C
51. Rmin = 2.375 × 105 Ω, Imin = 12.63 μA
Rmax = 2.625 × 105 Ω, Imax = 11.43 μA
53. R = 100 Ω
55. a. I = 0.3 0mA; b. P = 0.90 mW; c. P = 0.90 mW; d. Se convierte en calor.
57. P = V2/R
R = 40 Ω,
A = 2.08 mm2
ρ = 100 × 10-8 Ω • m
R = ρL/A
L = 83 m
59. I = 0.1 A, V = 14 V
61. a. I ≈ 3.00 A + 100 W/110 V + 60W/110 V + 3.00 W/110 V = 4.48 A
P = 493 W
R = 9.91 Ω,
Pperd = 200.W
% de pérdida = 40%
b. P = 493 W
I = 0.0045 A
R = 9.91 Ω
Pperd = 201 μW
% de pérdida = 0.00004%
63. Rcobre = 0.24 Ω
P = 2.377 × 103 W
65. R = R0(1 + α(T - T0))
0.82R0 = R0(1 + α(T - T0)), 0,82 = 1 - 0,06(T - 37 °C), T = 40 °C
67. a. RAu = RAg, ρAuLAu/AAu = ρAgLAg/AAg, LAg = 1.53 m;
b. RAu,20 °C = 0.0074 Ω, RAu,100 °C = 0.0094 Ω, RAg,100 °C = 0.0096 Ω
69. dR = ρ/2πrLdr
R = ρ/2πLlnr0/ri
R = 2.21 × 1011 Ω
71. a. R0 = 3.00 × 6 Ω;
b. Tc 37.0 °C
R = 3.02 × 10-6 Ω
73. ρ = 5.00 × 10-8 Ω • m
75. ρ = 1.71 × 10-8 Ω • m
77. a. V = 6000 V; b. V = 6 V
79. P = W/t, W = 8.64 J
81. V = 7.09 cm3
n = 8.49 × 1028 electrones/m2
vd = 7.00 × 10-5 m/s
83. a. v = 5.83 × 1013protones/m3
85. E = 75 kJ
87. a. P = 52 W
R = 36 Ω;
b. V = 43.54 V
89. a. R = ρ/2πLln(R0/Ri); b. R = 2.5 mΩ
91. a. I = 8.69 A; b. # electrones = 2,61 × 1025; c. R = 13.23 Ω; d. q = 4.68 × 106 J
93. P = 1045 W, P = V2/R, R = 12.27 Ω