FísicaFácil1 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla y León · 2020 · Julio
Enunciado
Dos cargas puntuales, q1=3 μCq_1 = 3\ \mu\text{C} y q2=−3 μCq_2 = -3\ \mu\text{C}, están situadas en los puntos P1 (0,3)P_1\,(0, 3) y P2 (0,−3)P_2\,(0, -3), respectivamente (unidades en el S.I.). Calcule el trabajo necesario para transportar otra carga q3=4 μCq_3 = 4\ \mu\text{C} desde el punto P3 (4,0)P_3\,(4, 0) al punto P4 (−4,0)P_4\,(-4, 0). Interprete el 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
  V3=V4=0 VW=0 J  \boxed{\;V_3 = V_4 = 0\ \text{V}\qquad W = 0\ \text{J}\;}Los dos puntos están en la misma superficie equipotencial: trasladar la carga entre ellos no requiere trabajo.
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Estrategia

El campo eléctrico es conservativo, así que el trabajo solo depende de los potenciales de los puntos inicial y final. El trabajo que hay que hacer desde fuera (sin variar la energía cinética) es Wext=q3 (V4−V3)W_{\text{ext}} = q_3\,(V_4 - V_3). Se calcula el potencial en P3P_3 y en P4P_4 sumando las contribuciones de q1q_1 y q2q_2.
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Desarrollo

Distancias de cada carga a P3 (4,0)P_3\,(4, 0) y a P4 (−4,0)P_4\,(-4, 0):d13=d23=42+32=5 md14=d24=(−4)2+32=5 md_{13} = d_{23} = \sqrt{4^2 + 3^2} = 5\ \text{m}\qquad d_{14} = d_{24} = \sqrt{(-4)^2 + 3^2} = 5\ \text{m}Potencial en P3P_3, por superposición:V3=K0q1d13+K0q2d23=9,00⋅109(3⋅10−65+−3⋅10−65)=0 VV_3 = K_0\frac{q_1}{d_{13}} + K_0\frac{q_2}{d_{23}} = 9{,}00\cdot 10^{9}\left(\frac{3\cdot 10^{-6}}{5} + \frac{-3\cdot 10^{-6}}{5}\right) = 0\ \text{V}Por el mismo motivo, V4=0 VV_4 = 0\ \text{V}.

Trabajo necesario (realizado por una fuerza externa):Wext=q3 (V4−V3)=4⋅10−6⋅(0−0)=0 JW_{\text{ext}} = q_3\,(V_4 - V_3) = 4\cdot 10^{-6}\cdot (0 - 0) = 0\ \text{J}El trabajo del campo, Wcampo=q3 (V3−V4)W_{\text{campo}} = q_3\,(V_3 - V_4), también es nulo.

Interpretación: P3P_3 y P4P_4 están sobre el eje xx, que es la mediatriz del segmento que une dos cargas iguales y opuestas. Todos los puntos de esa recta equidistan de q1q_1 y de q2q_2, así que en todos ellos el potencial es nulo: el eje xx es una línea equipotencial (V=0V = 0), contenida en el plano mediador del segmento P1P2P_1P_2, que es la superficie equipotencial V=0V = 0. Llevar una carga entre dos puntos del mismo potencial no cuesta energía, sea cual sea el camino (por ser conservativo el campo). Si se sigue el eje xx, la fuerza eléctrica es en todo momento perpendicular al desplazamiento (el campo del dipolo allí es paralelo al eje yy).
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Antes de calcular, mira la geometría: si los dos puntos equidistan de cargas iguales y opuestas, el potencial es nulo y el trabajo también, sin hacer cuentas.

Que el trabajo sea nulo no significa que no haya campo: lo que no hay es diferencia de potencial.
Paso 1 de 3
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