FísicaMedioProblema · 3 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla-La Mancha · 2022 · Junio
Enunciado
Tres cargas están situadas en los vértices de un triángulo rectángulo como indica la figura.
Triángulo rectángulo: q1 arriba a la izquierda, q2 en el ángulo recto (abajo a la izquierda) y q3 en A (abajo a la derecha); catetos de 2 cm y 6 cm; B es el cuarto vértice del rectángulo, encima de A
Triángulo rectángulo: q1 arriba a la izquierda, q2 en el ángulo recto (abajo a la izquierda) y q3 en A (abajo a la derecha); catetos de 2 cm y 6 cm; B es el cuarto vértice del rectángulo, encima de A
a) Determina la energía potencial electrostática de la carga q3q_3.

b) Calcula la fuerza que siente la carga q2q_2 y su módulo ∣F⃗∣|\vec F|.

c) ¿Cuánto trabajo costaría llevar la carga q3q_3 desde su ubicación inicial (AA) a la ubicación alternativa (BB)? Indica si sería necesaria una fuerza externa para ello.

Datos: q1=2 mCq_1 = 2\,\text{mC}; q2=−1 mCq_2 = -1\,\text{mC}; q3=−5 mCq_3 = -5\,\text{mC}; K=9⋅109 N m2/C2K = 9\cdot 10^9\,\text{N m}^2/\text{C}^2
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Resultado
  Ep(q3)=−6,73⋅105 JF⃗2=(−1,25⋅107 i⃗+4,5⋅107 j⃗) N, ∣F⃗2∣=4,67⋅107 N  \boxed{\;E_{p}(q_3) = -6{,}73\cdot 10^{5}\ \text{J}\qquad \vec F_2 = (-1{,}25\cdot 10^{7}\,\vec i + 4{,}5\cdot 10^{7}\,\vec j)\ \text{N},\ |\vec F_2| = 4{,}67\cdot 10^{7}\ \text{N}\;}  Wext=−1,15⋅105 J: no hace falta fuerza externa; el trabajo lo hace el campo  \boxed{\;W_{\text{ext}} = -1{,}15\cdot 10^{5}\ \text{J}:\ \text{no hace falta fuerza externa; el trabajo lo hace el campo}\;}
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Estrategia

Origen en q2q_2, eje XX hacia AA y eje YY hacia q1q_1: q1(0; 0,02)q_1(0;\,0{,}02), q2(0; 0)q_2(0;\,0), A(0,06; 0)A(0{,}06;\,0) y B(0,06; 0,02)B(0{,}06;\,0{,}02) (en m). La energía potencial de q3q_3 suma la que tiene con q1q_1 y con q2q_2. Las fuerzas sobre q2q_2 se suman como vectores. El trabajo que hay que hacer para mover q3q_3 es la variación de su energía potencial: si sale negativo, el campo lo hace por sí solo.
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Desarrollo

a) Distancias: r13=0,062+0,022=0,0632 mr_{13} = \sqrt{0{,}06^2 + 0{,}02^2} = 0{,}0632\,\text{m} y r23=0,06 mr_{23} = 0{,}06\,\text{m}.Ep,A=Kq3(q1r13+q2r23)=9⋅109⋅(−5⋅10−3)(2⋅10−30,0632+−10−30,06)=−6,73⋅105 JE_{p,A} = K q_3\left(\frac{q_1}{r_{13}} + \frac{q_2}{r_{23}}\right) = 9\cdot 10^9\cdot(-5\cdot 10^{-3})\left(\frac{2\cdot 10^{-3}}{0{,}0632} + \frac{-10^{-3}}{0{,}06}\right) = -6{,}73\cdot 10^{5}\ \text{J}b) Fuerza de q1q_1 sobre q2q_2 (signos opuestos: atracción, hacia q1q_1, es decir, +j⃗+\vec j):F12=K∣q1q2∣0,022=9⋅109 2⋅10−3⋅10−34⋅10−4=4,5⋅107 NF_{12} = K\frac{|q_1 q_2|}{0{,}02^2} = 9\cdot 10^9\,\frac{2\cdot 10^{-3}\cdot 10^{-3}}{4\cdot 10^{-4}} = 4{,}5\cdot 10^{7}\ \text{N}Fuerza de q3q_3 sobre q2q_2 (las dos negativas: repulsión, alejándose de q3q_3, es decir, −i⃗-\vec i):F32=K∣q3q2∣0,062=9⋅109 5⋅10−3⋅10−33,6⋅10−3=1,25⋅107 NF_{32} = K\frac{|q_3 q_2|}{0{,}06^2} = 9\cdot 10^9\,\frac{5\cdot 10^{-3}\cdot 10^{-3}}{3{,}6\cdot 10^{-3}} = 1{,}25\cdot 10^{7}\ \text{N}F⃗2=(−1,25⋅107 i⃗+4,5⋅107 j⃗) N∣F⃗2∣=(1,25⋅107)2+(4,5⋅107)2=4,67⋅107 N\vec F_2 = \left(-1{,}25\cdot 10^{7}\,\vec i + 4{,}5\cdot 10^{7}\,\vec j\right)\ \text{N} \qquad |\vec F_2| = \sqrt{(1{,}25\cdot 10^7)^2 + (4{,}5\cdot 10^7)^2} = 4{,}67\cdot 10^{7}\ \text{N}c) En BB, q3q_3 queda a 0,06 m0{,}06\,\text{m} de q1q_1 y a 0,0632 m0{,}0632\,\text{m} de q2q_2:Ep,B=9⋅109⋅(−5⋅10−3)(2⋅10−30,06+−10−30,0632)=−7,88⋅105 JE_{p,B} = 9\cdot 10^9\cdot(-5\cdot 10^{-3})\left(\frac{2\cdot 10^{-3}}{0{,}06} + \frac{-10^{-3}}{0{,}0632}\right) = -7{,}88\cdot 10^{5}\ \text{J}Trabajo de la fuerza externa:Wext=Ep,B−Ep,A=−7,88⋅105−(−6,73⋅105)=−1,15⋅105 JW_{\text{ext}} = E_{p,B} - E_{p,A} = -7{,}88\cdot 10^{5} - (-6{,}73\cdot 10^{5}) = -1{,}15\cdot 10^{5}\ \text{J}Es negativo: el campo realiza un trabajo positivo de 1,15⋅105 J1{,}15\cdot 10^{5}\,\text{J} al llevar q3q_3 de AA a BB. No hace falta aportar energía con una fuerza externa (solo habría que guiar la carga por el camino deseado): la carga negativa q3q_3 tiende a acercarse a la positiva q1q_1.
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Consejo

El signo de cada carga entra en la energía potencial; en las fuerzas, decide el sentido con «iguales se repelen, distintas se atraen» y usa solo los módulos en la fórmula.
Paso 1 de 3
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