FísicaFácil2 pts

Campo y potencial eléctrico

Extremadura · 2021 · Julio
Enunciado
Una carga de 60 μC60\ \mu\text{C} crea un campo eléctrico. Calcule:

a) el potencial eléctrico en un punto situado a 8 m8\ \text{m} de la carga creadora.

b) El trabajo que hay que realizar para trasladar una carga de −15 μC-15\ \mu\text{C} desde este punto a otro punto situado a 12 m12\ \text{m} de la carga creadora.

Datos: K0=9⋅109 N m2/C2K_0 = 9\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{C}^2.

(Calificación de cada apartado, 1 punto).
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Resultado
  VA=6,75⋅104 V  \boxed{\;V_A = 6{,}75\cdot 10^{4}\ \text{V}\;}  Wext=+0,338 J(Wcampo=−0,338 J)  \boxed{\;W_{\text{ext}} = +0{,}338\ \text{J}\quad (W_{\text{campo}} = -0{,}338\ \text{J})\;}
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Estrategia

El potencial de una carga puntual es V=K0q/rV = K_0 q/r. El trabajo que hace el campo al llevar una carga q′q' de AA a BB es Wcampo=q′(VA−VB)W_{\text{campo}} = q'(V_A - V_B); el que hay que realizar (una fuerza externa que la traslada sin acelerarla) es el opuesto, Wext=q′(VB−VA)W_{\text{ext}} = q'(V_B - V_A). Como la carga trasladada es negativa y se aleja de una positiva que la atrae, ese trabajo externo será positivo.
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Desarrollo

a) Con q=60 μC=6,0⋅10−5 Cq = 60\ \mu\text{C} = 6{,}0\cdot 10^{-5}\ \text{C} y rA=8 mr_A = 8\ \text{m}:VA=K0 qrA=9⋅109⋅6,0⋅10−58=6,75⋅104 VV_A = K_0\,\frac{q}{r_A} = 9\cdot 10^{9}\cdot\frac{6{,}0\cdot 10^{-5}}{8} = 6{,}75\cdot 10^{4}\ \text{V}b) Potencial en el punto final, rB=12 mr_B = 12\ \text{m}:VB=K0 qrB=9⋅109⋅6,0⋅10−512=4,50⋅104 VV_B = K_0\,\frac{q}{r_B} = 9\cdot 10^{9}\cdot\frac{6{,}0\cdot 10^{-5}}{12} = 4{,}50\cdot 10^{4}\ \text{V}El trabajo que realiza el campo sobre q′=−15 μC=−1,5⋅10−5 Cq' = -15\ \mu\text{C} = -1{,}5\cdot 10^{-5}\ \text{C} esWcampo=q′ (VA−VB)=−1,5⋅10−5⋅(6,75⋅104−4,50⋅104)=−0,338 JW_{\text{campo}} = q'\,(V_A - V_B) = -1{,}5\cdot 10^{-5}\cdot\left(6{,}75\cdot 10^{4} - 4{,}50\cdot 10^{4}\right) = -0{,}338\ \text{J}El campo hace un trabajo negativo: la carga positiva atrae a la negativa y se opone a que se aleje. Por tanto, el trabajo que hay que realizar desde fuera es el opuesto:Wext=−Wcampo=q′ (VB−VA)=+0,338 JW_{\text{ext}} = -W_{\text{campo}} = q'\,(V_B - V_A) = +0{,}338\ \text{J}Comprobación con energías: Ep,A=q′VA=−1,01 JE_{p,A} = q' V_A = -1{,}01\ \text{J} y Ep,B=q′VB=−0,675 JE_{p,B} = q' V_B = -0{,}675\ \text{J}; la energía potencial del sistema aumenta en 0,338 J0{,}338\ \text{J}, que es justo lo que aporta el agente externo.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Distingue el trabajo del campo, q′(VA−VB)q'(V_A - V_B), del trabajo que hay que realizar, que es el mismo con el signo cambiado. «Hay que realizar» es el del agente externo.

Mete la carga con su signo en q′(VA−VB)q'(V_A - V_B) y el signo del trabajo sale solo. Comprueba que tiene sentido: alejar una carga negativa de una positiva cuesta energía.
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