FísicaFácil2 pts

Campo y potencial eléctrico

Extremadura · 2019 · Julio · Opción B
Enunciado
1 kg de hidrógeno está compuesto por 6,024⋅10266{,}024\cdot 10^{26} átomos. Si a todos los átomos de 1 kg de hidrógeno les separásemos los electrones de los núcleos y reuniéramos los núcleos en un punto y los electrones en otro situado a 1 km de distancia, ¿cuál sería la fuerza con que se atraerían ambas cargas teniendo en cuenta que el núcleo de hidrógeno contiene un protón?

Datos: K0=9⋅109 N m2/C2K_0 = 9\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{C}^2; carga del protón y del electrón =1,6⋅10−19 C= 1{,}6\cdot 10^{-19}\ \text{C}.
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Resultado
  F≈8,36⋅1019 N  (atractiva)  \boxed{\;F \approx 8{,}36\cdot 10^{19}\ \text{N}\ \ (\text{atractiva})\;}
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Estrategia

Cada átomo de hidrógeno tiene un protón y un electrón, así que la carga total de los núcleos es +Ne+Ne y la de los electrones, −Ne-Ne. Tratamos cada grupo como una carga puntual y aplicamos la ley de Coulomb con la distancia en metros.
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Desarrollo

Carga total de los núcleos (un protón por átomo):Q=N e=6,024⋅1026⋅1,6⋅10−19=9,64⋅107 CQ = N\,e = 6{,}024\cdot 10^{26}\cdot 1{,}6\cdot 10^{-19} = 9{,}64\cdot 10^{7}\ \text{C}Los electrones reunidos tienen la misma carga, pero negativa: −Q-Q.

La distancia entre las dos cargas, en el SI, es r=1 km=103 mr = 1\ \text{km} = 10^{3}\ \text{m}. Por la ley de Coulomb, el módulo de la fuerza con que se atraen es:F=K0 ∣Q∣ ∣Q∣r2=9⋅109⋅(9,638⋅107)2(103)2=8,36⋅1019 NF = K_0\,\frac{|Q|\,|Q|}{r^2} = 9\cdot 10^{9}\cdot\frac{\left(9{,}638\cdot 10^{7}\right)^2}{\left(10^{3}\right)^2} = 8{,}36\cdot 10^{19}\ \text{N}La fuerza es atractiva (cargas de signo opuesto) y está dirigida a lo largo de la recta que une los dos puntos.

Para hacerse una idea: es del orden del peso de una masa de 8,5⋅1018 kg8{,}5\cdot 10^{18}\ \text{kg} en la superficie terrestre. Por eso la materia es prácticamente neutra: separar las cargas de un solo kilo de hidrógeno costaría fuerzas descomunales.
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Consejo

No olvides pasar la distancia a metros: con r=1r = 1 (en km) la fuerza saldría un millón de veces mayor.

Las dos cargas valen lo mismo en valor absoluto porque cada átomo aporta un protón y un electrón: el producto de cargas es Q2Q^2.
Paso 1 de 3
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