FísicaFácil1 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla y León · 2020 · Septiembre
Enunciado
Dos cargas puntuales de 3 μC3\ \mu\text{C} se encuentran en los puntos (1,0)(1, 0) y (0,−4)(0, -4), las coordenadas en unidades del S.I. Calcule el potencial eléctrico en el punto P (3,0)P\,(3, 0) y el trabajo necesario para trasladar una carga de 1 μC1\ \mu\text{C} desde un punto infinitamente alejado hasta el punto PP. Interprete el signo del resultado.

Datos (de la tabla de constantes del examen): K0=1/(4πε0)=9,00⋅109 N m2 C−2K_0 = 1/(4\pi\varepsilon_0) = 9{,}00\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{C}^{-2}.
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Resultado
  VP=1,89⋅104 V  \boxed{\;V_P = 1{,}89\cdot 10^{4}\ \text{V}\;}  Wext=1,89⋅10−2 J (>0: hay que vencer la repulsioˊn; Wcampo=−1,89⋅10−2 J)  \boxed{\;W_{\text{ext}} = 1{,}89\cdot 10^{-2}\ \text{J}\ (>0:\ \text{hay que vencer la repulsión};\ W_{\text{campo}} = -1{,}89\cdot 10^{-2}\ \text{J})\;}
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Estrategia

El potencial es una magnitud escalar: el de PP es la suma de los potenciales de cada carga, V=Kq/rV = Kq/r, sin preocuparse de direcciones. El trabajo que hay que hacer (fuerza externa) para traer una carga desde el infinito, sin variar su energía cinética, es el aumento de su energía potencial: Wext=q′ (VP−V∞)W_{\text{ext}} = q'\,(V_P - V_\infty), con V∞=0V_\infty = 0.
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Desarrollo

Distancias de cada carga a P (3,0)P\,(3, 0):r1=∣(3,0)−(1,0)∣=2 mr2=(3−0)2+(0+4)2=5 mr_1 = \left|(3,0) - (1,0)\right| = 2\ \text{m}\qquad r_2 = \sqrt{(3-0)^2 + (0+4)^2} = 5\ \text{m}Potencial en PP por superposición:VP=K0 q1r1+K0 q2r2=9,00⋅109⋅3⋅10−6(12+15)=1,35⋅104+5,40⋅103=1,89⋅104 VV_P = K_0\,\frac{q_1}{r_1} + K_0\,\frac{q_2}{r_2} = 9{,}00\cdot 10^{9}\cdot 3\cdot 10^{-6}\left(\frac{1}{2} + \frac{1}{5}\right) = 1{,}35\cdot 10^{4} + 5{,}40\cdot 10^{3} = 1{,}89\cdot 10^{4}\ \text{V}Trabajo de la fuerza externa para traer q′=1 μCq' = 1\ \mu\text{C} desde el infinito (V∞=0V_\infty = 0) hasta PP:Wext=q′ (VP−V∞)=1⋅10−6⋅1,89⋅104=1,89⋅10−2 JW_{\text{ext}} = q'\,(V_P - V_\infty) = 1\cdot 10^{-6}\cdot 1{,}89\cdot 10^{4} = 1{,}89\cdot 10^{-2}\ \text{J}El trabajo que hace el propio campo es el opuesto: Wcampo=−ΔEp=−1,89⋅10−2 JW_{\text{campo}} = -\Delta E_p = -1{,}89\cdot 10^{-2}\ \text{J}.

Interpretación del signo. Las tres cargas son positivas y se repelen: la carga de prueba no va sola hacia PP. Hay que empujarla con una fuerza externa, que realiza un trabajo positivo de 1,89⋅10−21{,}89\cdot 10^{-2} J; ese trabajo queda almacenado como energía potencial del sistema (el campo realiza un trabajo negativo).
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Di siempre quién hace el trabajo. «El trabajo necesario» es el de la fuerza externa, W=q′(VP−V∞)W = q'(V_P - V_\infty); el del campo tiene el signo contrario.

El potencial se suma como número: no descompongas en componentes como harías con el campo.
Paso 1 de 3
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