FísicaMedioProblema · 2 pts

Campo y potencial eléctrico

Comunidad de Madrid · 2020 · Septiembre
Enunciado
Dos cargas eléctricas puntuales AA y BB de valores qA=+5 nCq_A = +5\,\text{nC} y qB=−5 nCq_B = -5\,\text{nC}, están situadas en el plano xyxy en las posiciones (−4, 0) cm(-4,\,0)\,\text{cm} y (4, 0) cm(4,\,0)\,\text{cm}, respectivamente. Determine el potencial eléctrico y el campo eléctrico creado por esta distribución de cargas en:

a) El origen de coordenadas.

b) El punto del plano (0, 3) cm(0,\,3)\,\text{cm}.

Dato: Constante de la ley de Coulomb, K=9⋅109 N m2 C−2K = 9\cdot 10^{9}\,\text{N}\,\text{m}^2\,\text{C}^{-2}.
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Resultado
  a) VO=0 VE⃗O=5,63⋅104 i⃗  N C−1  \boxed{\;\text{a) } V_O = 0\ \text{V}\qquad \vec E_O = 5{,}63\cdot 10^{4}\,\vec i\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}\;}  b) VP=0 VE⃗P=2,88⋅104 i⃗  N C−1  \boxed{\;\text{b) } V_P = 0\ \text{V}\qquad \vec E_P = 2{,}88\cdot 10^{4}\,\vec i\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}\;}
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Estrategia

Es un dipolo: dos cargas iguales y opuestas. Los dos puntos pedidos están en la mediatriz del segmento que las une (el eje yy), a la misma distancia de las dos cargas. Por eso los potenciales, que son escalares con el signo de la carga, se cancelan: V=0V = 0.

El campo, en cambio, es un vector y no se anula: el de AA apunta alejándose de AA (positiva) y el de BB, hacia BB (negativa). Los dos tiran hacia +x+x, así que se suman. Aplicamos superposición componente a componente.
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Desarrollo

a) En el origen, cada carga está a r=4 cm=0,04 mr = 4\,\text{cm} = 0{,}04\,\text{m}. El potencial es la suma de los potenciales de cada carga:VO=K qAr+K qBr=9⋅1090,04(5⋅10−9−5⋅10−9)=0 VV_O = K\,\frac{q_A}{r} + K\,\frac{q_B}{r} = \frac{9\cdot 10^{9}}{0{,}04}\left(5\cdot 10^{-9} - 5\cdot 10^{-9}\right) = 0\ \text{V}El módulo del campo de cada carga es el mismo:EA=EB=K ∣q∣r2=9⋅109⋅5⋅10−90,042=2,81⋅104 N C−1E_A = E_B = K\,\frac{|q|}{r^2} = \frac{9\cdot 10^{9}\cdot 5\cdot 10^{-9}}{0{,}04^2} = 2{,}81\cdot 10^{4}\ \text{N}\,\text{C}^{-1}El de AA (positiva, a la izquierda) apunta hacia la derecha, alejándose de ella; el de BB (negativa, a la derecha) apunta también hacia la derecha, hacia ella. Se suman:E⃗O=2⋅2,81⋅104 i⃗=5,63⋅104 i⃗  N C−1\vec E_O = 2\cdot 2{,}81\cdot 10^{4}\,\vec i = 5{,}63\cdot 10^{4}\,\vec i\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}b) El punto P(0, 3) cmP(0,\,3)\,\text{cm} dista de cada cargar=0,042+0,032=0,05 mr = \sqrt{0{,}04^2 + 0{,}03^2} = 0{,}05\ \text{m}y, de nuevo, los potenciales se cancelan:VP=9⋅1090,05(5⋅10−9−5⋅10−9)=0 VV_P = \frac{9\cdot 10^{9}}{0{,}05}\left(5\cdot 10^{-9} - 5\cdot 10^{-9}\right) = 0\ \text{V}Módulo del campo de cada carga en PP:EA=EB=9⋅109⋅5⋅10−90,052=1,80⋅104 N C−1E_A = E_B = \frac{9\cdot 10^{9}\cdot 5\cdot 10^{-9}}{0{,}05^2} = 1{,}80\cdot 10^{4}\ \text{N}\,\text{C}^{-1}Direcciones: el campo de AA va de AA hacia PP, vector (0,04; 0,03)(0{,}04;\ 0{,}03), unitario (0,8; 0,6)(0{,}8;\ 0{,}6); el de BB va de PP hacia BB, vector (0,04; −0,03)(0{,}04;\ -0{,}03), unitario (0,8; −0,6)(0{,}8;\ -0{,}6):E⃗A=1,80⋅104 (0,8 i⃗+0,6 j⃗)=1,44⋅104 i⃗+1,08⋅104 j⃗  N C−1\vec E_A = 1{,}80\cdot 10^{4}\,(0{,}8\,\vec i + 0{,}6\,\vec j) = 1{,}44\cdot 10^{4}\,\vec i + 1{,}08\cdot 10^{4}\,\vec j\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}E⃗B=1,80⋅104 (0,8 i⃗−0,6 j⃗)=1,44⋅104 i⃗−1,08⋅104 j⃗  N C−1\vec E_B = 1{,}80\cdot 10^{4}\,(0{,}8\,\vec i - 0{,}6\,\vec j) = 1{,}44\cdot 10^{4}\,\vec i - 1{,}08\cdot 10^{4}\,\vec j\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}Las componentes yy se anulan y las xx se suman:E⃗P=E⃗A+E⃗B=2,88⋅104 i⃗  N C−1\vec E_P = \vec E_A + \vec E_B = 2{,}88\cdot 10^{4}\,\vec i\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}
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Consejo

Que el potencial sea cero no implica que el campo lo sea: en la mediatriz de un dipolo V=0V = 0 pero el campo apunta de la carga positiva hacia la negativa.

Haz siempre el dibujo de los dos vectores antes de sumar: el de una carga positiva sale de ella y el de una negativa entra en ella. Ahí se ve qué componentes se cancelan.
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