FísicaMedioProblema · 3 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla-La Mancha · 2013 · Reserva 1 · Opción B
Enunciado
Dos cargas eléctricas positivas e iguales (q=92,25⋅10−7 Cq = 92{,}25\cdot 10^{-7}\,\text{C}) están fijas en sus posiciones y separadas 18 cm18\,\text{cm} (véase figura). Se pide:
Dos cargas q positivas a 9 cm por encima y por debajo de un punto O; sobre la mediatriz, A está a 12 cm de O y B a 28 cm más allá de A
Dos cargas q positivas a 9 cm por encima y por debajo de un punto O; sobre la mediatriz, A está a 12 cm de O y B a 28 cm más allá de A
a) El campo eléctrico en el punto AA de la figura (indicar con un esquema su dirección y sentido).

b) El potencial eléctrico en los puntos AA y BB.

c) El trabajo necesario para llevar una carga de +5⋅10−9 C+5\cdot 10^{-9}\,\text{C} desde el punto BB hasta el punto AA. Interpretar el signo de este trabajo.

Constante de la ley de Coulomb: k=9⋅109 N m2/C2k = 9\cdot 10^{9}\,\text{N m}^2/\text{C}^2.
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Resultado
  EA=5,90⋅106 N/C (de O hacia B)VA=1,11⋅106 VVB=4,05⋅105 VWext=3,51⋅10−3 J  \boxed{\;E_A = 5{,}90\cdot 10^{6}\ \text{N/C (de } O \text{ hacia } B)\quad V_A = 1{,}11\cdot 10^{6}\ \text{V}\quad V_B = 4{,}05\cdot 10^{5}\ \text{V}\quad W_{\text{ext}} = 3{,}51\cdot 10^{-3}\ \text{J}\;}
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Estrategia

AA y BB están sobre la mediatriz: las componentes verticales de los campos se anulan y las horizontales se suman. Distancias: a AA, 92+122=15 cm\sqrt{9^2 + 12^2} = 15\,\text{cm}; a BB (a 40 cm40\,\text{cm} de OO), 92+402=41 cm\sqrt{9^2 + 40^2} = 41\,\text{cm}. El trabajo externo es q′(VA−VB)q'(V_A - V_B).
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Desarrollo

kq=9⋅109⋅9,225⋅10−6=8,30⋅104 V mkq = 9\cdot 10^{9}\cdot 9{,}225\cdot 10^{-6} = 8{,}30\cdot 10^{4}\ \text{V m}a) Cada carga crea en AA un campo de móduloE1=kq0,152=8,30⋅1040,0225=3,69⋅106 N/CE_1 = \frac{kq}{0{,}15^2} = \frac{8{,}30\cdot 10^{4}}{0{,}0225} = 3{,}69\cdot 10^{6}\ \text{N/C}dirigido alejándose de ella. Las componentes verticales se cancelan; las horizontales (cos⁡α=12/15=0,8\cos\alpha = 12/15 = 0{,}8) se suman:EA=2E1cos⁡α=2⋅3,69⋅106⋅0,8=5,90⋅106 N/CE_A = 2E_1\cos\alpha = 2\cdot 3{,}69\cdot 10^{6}\cdot 0{,}8 = 5{,}90\cdot 10^{6}\ \text{N/C}dirigido a lo largo de la mediatriz, alejándose de las cargas (de OO hacia BB).

b)VA=2kq0,15=1,107⋅106 VVB=2kq0,41=4,05⋅105 VV_A = \frac{2kq}{0{,}15} = 1{,}107\cdot 10^{6}\ \text{V}\qquad V_B = \frac{2kq}{0{,}41} = 4{,}05\cdot 10^{5}\ \text{V}c) Trabajo que debe hacer un agente externo para llevar q′=5⋅10−9 Cq' = 5\cdot 10^{-9}\,\text{C} de BB a AA:Wext=q′ (VA−VB)=5⋅10−9 (1,107⋅106−4,05⋅105)=3,51⋅10−3 JW_{\text{ext}} = q'\,(V_A - V_B) = 5\cdot 10^{-9}\,(1{,}107\cdot 10^{6} - 4{,}05\cdot 10^{5}) = 3{,}51\cdot 10^{-3}\ \text{J}Es positivo: la carga positiva se acerca a las otras dos, que la repelen, así que hay que empujarla. El campo realiza un trabajo de −3,51⋅10−3 J-3{,}51\cdot 10^{-3}\,\text{J} y la energía potencial de la carga aumenta en esa cantidad.
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Consejo

En problemas con simetría, busca qué componentes se anulan antes de calcular: ahorra la mitad del trabajo.
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