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Campo y potencial eléctrico

Castilla y León · 2020 · Septiembre
Enunciado
En una región del espacio se encuentran dos cargas eléctricas. La primera, de carga positiva, está fija, y la segunda, de carga negativa, se mueve alejándose de la primera. La energía potencial del sistema formado por ambas partículas ¿aumentará, disminuirá o se mantendrá constante? Razone la respuesta.
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Resultado
La energía potencial del sistema aumenta: es negativa (q1q2<0q_1 q_2 < 0) y tiende a cero al crecer rr; el campo hace trabajo negativo al separar cargas que se atraen.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Se escribe la energía potencial eléctrica de dos cargas puntuales y se mira cómo cambia con la distancia, teniendo en cuenta que el producto de las cargas es negativo. Se confirma con el trabajo del campo: separar dos cargas que se atraen exige trabajo externo.
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Desarrollo

Aumenta.

La energía potencial eléctrica de dos cargas puntuales q1q_1 y q2q_2 separadas una distancia rr (origen en r→∞r \to \infty) esEp=K q1 q2rE_p = K\,\frac{q_1\,q_2}{r}con K=9,00⋅109 N m2 C−2K = 9{,}00\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{C}^{-2}, las cargas en culombios, rr en metros y EpE_p en julios.

Como q1>0q_1 > 0 y q2<0q_2 < 0, el producto q1q2q_1 q_2 es negativo y la energía potencial es negativa:Ep=−K ∣q1∣ ∣q2∣rE_p = -\frac{K\,|q_1|\,|q_2|}{r}Al alejarse la segunda carga, rr crece y el valor absoluto K∣q1∣∣q2∣/rK|q_1||q_2|/r disminuye: EpE_p se hace menos negativa, se acerca a cero. Es decir, aumenta. Por ejemplo, si rr se duplica, EpE_p pasa a valer la mitad de un número negativo, que es un valor mayor.

Comprobación con el trabajo. Las dos cargas son de signo contrario y se atraen. Cuando la negativa se aleja, la fuerza eléctrica (hacia la positiva) y el desplazamiento tienen sentidos opuestos, así que el campo realiza un trabajo negativo:Wcampo=−ΔEp<0⟹ΔEp>0W_{\text{campo}} = -\Delta E_p < 0\quad\Longrightarrow\quad \Delta E_p > 0Si la carga se aleja sola (por la inercia de su velocidad), ese aumento de energía potencial sale de su energía cinética, que disminuye: el sistema se comporta como una piedra que sube.
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Consejo

Con cargas de signo contrario la energía potencial es negativa: «disminuye en valor absoluto» significa que aumenta. Dilo así y no te quedes solo con que 1/r1/r se hace más pequeño.

El razonamiento del trabajo del campo es un buen segundo argumento: no obliga a manejar el signo de EpE_p, solo a ver que la fuerza (atractiva) se opone al desplazamiento.
Paso 1 de 3
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