FísicaMedio2 pts

Campo y potencial eléctrico

Cataluña · 2017 · Septiembre · Opción B
Enunciado
Dos cargas de 3,0 μC3{,}0\ \mu\text{C} están localizadas en x=0 mx = 0\ \text{m}, y=2,0 my = 2{,}0\ \text{m} y en x=0 mx = 0\ \text{m}, y=−2,0 my = -2{,}0\ \text{m}. Dos cargas más, de valor QQ, están localizadas en x=4,0 mx = 4{,}0\ \text{m}, y=2,0 my = 2{,}0\ \text{m} y en x=4,0 mx = 4{,}0\ \text{m}, y=−2,0 my = -2{,}0\ \text{m}.

a) Si en el origen de coordenadas el campo eléctrico es 4,0×103 N C−14{,}0\times 10^{3}\ \text{N C}^{-1} en la dirección del eje xx en sentido positivo, calcule el valor de las cargas.

b) Si el valor de las cargas fuese Q=2,0 μCQ = 2{,}0\ \mu\text{C}, calcule la fuerza F⃗\vec F que experimentaría un protón situado en el origen de coordenadas.

Datos: k=14πε0=8,99×109 N m2 C−2k = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} = 8{,}99\times 10^{9}\ \text{N m}^2\,\text{C}^{-2}. Carga elemental =1,60×10−19 C= 1{,}60\times 10^{-19}\ \text{C}.
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Resultado
  Q=−4,97 μC    F⃗=(−2,57×10−16 N)i⃗  \boxed{\;Q = -4{,}97\ \mu\text{C}\;}\qquad \boxed{\;\vec F = \left(-2{,}57\times 10^{-16}\ \text{N}\right)\vec i\;}
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Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.
a)E=k qr2;E⃗x=(4000 N/C) i⃗E = k\,\frac{q}{r^2};\qquad \vec E_x = (4000\ \text{N/C})\,\vec iEn el eje vertical el campo eléctrico se anula por simetría.
Rectángulo con las cargas de 3,0 µC en los vértices de la izquierda, sobre el eje vertical, y las cargas Q en los de la derecha; l es la distancia del origen a cada carga Q; en el origen, el campo Ex apunta hacia la derecha y la fuerza Fx hacia la izquierda
Rectángulo con las cargas de 3,0 µC en los vértices de la izquierda, sobre el eje vertical, y las cargas Q en los de la derecha; l es la distancia del origen a cada carga Q; en el origen, el campo Ex apunta hacia la derecha y la fuerza Fx hacia la izquierda
0,4 p. Ex=2k Ql2cos⁡θ→Q=Exl22kcos⁡θE_x = 2k\,\dfrac{Q}{l^2}\cos\theta \to Q = \dfrac{E_x l^2}{2k\cos\theta}

0,2 p. cos⁡θ=442+22=420\cos\theta = \dfrac{4}{\sqrt{4^2 + 2^2}} = \dfrac{4}{\sqrt{20}}

0,2 p. Q=4×103⋅202⋅8,99×109⋅420=4,97×10−6 C=4,97 μCQ = \dfrac{4\times 10^{3}\cdot 20}{2\cdot 8{,}99\times 10^{9}\cdot\dfrac{4}{\sqrt{20}}} = 4{,}97\times 10^{-6}\ \text{C} = 4{,}97\ \mu\text{C} y es negativa (0,2 p.) porque el campo eléctrico total va dirigido en el sentido positivo del eje X.

b)

0,2 p. Fy=0F_y = 0 por simetría.

0,4 p.Fx=qpExEx=2k Ql2cos⁡θQ=2×10−6 C}→Fx=2k Qqpl2cos⁡θ\left.\begin{aligned} F_x &= q_p E_x\\ E_x &= 2k\,\frac{Q}{l^2}\cos\theta\\ Q &= 2\times 10^{-6}\ \text{C} \end{aligned}\right\} \to F_x = 2k\,\frac{Qq_p}{l^2}\cos\thetaFx=2⋅8,99×109⋅2×10−6⋅1,6×10−1920⋅420=2,57×10−16 NF_x = 2\cdot 8{,}99\times 10^{9}\cdot\frac{2\times 10^{-6}\cdot 1{,}6\times 10^{-19}}{20}\cdot\frac{4}{\sqrt{20}} = 2{,}57\times 10^{-16}\ \text{N}En este caso, la carga QQ (protón) es positiva, el campo eléctrico total va dirigido en el sentido negativo del eje XX y la fuerza sobre un protón también.

0,4 p. F⃗=(−2,57×10−16 N)i⃗\vec F = \left(-2{,}57\times 10^{-16}\ \text{N}\right)\vec i

Corrección oficial en PDF (original en catalán)

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