FísicaMedio1 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla y León · 2023 · Julio
Enunciado
Se tiene una carga de 10 nC10\ \text{nC} situada en el punto (0,0)(0, 0) del plano XY. En un punto AA, el campo creado por dicha carga es E⃗=−25 i⃗+25 j⃗ N C−1\vec E = -25\,\vec i + 25\,\vec j\ \text{N}\,\text{C}^{-1}. Calcule el trabajo necesario para trasladar una carga de 2 nC2\ \text{nC} desde el punto AA al punto (0,3) m(0, 3)\ \text{m}.

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
  A=(−1,13; 1,13) mWext=−5,28⋅10−8 J  \boxed{\;A = (-1{,}13;\ 1{,}13)\ \text{m}\qquad W_{\text{ext}} = -5{,}28\cdot 10^{-8}\ \text{J}\;}El trabajo lo realiza el campo (Wcampo=+5,28⋅10−8 JW_{\text{campo}} = +5{,}28\cdot 10^{-8}\ \text{J}): la carga se aleja espontáneamente.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Del módulo del campo, E=Kq/r2E = Kq/r^2, sale la distancia de AA a la carga; y como la carga es positiva, el campo apunta alejándose de ella, así que su dirección dice dónde está AA. Con las dos distancias se calculan los potenciales y el trabajo que hay que hacer contra el campo es Wext=q′ (VB−VA)W_{\text{ext}} = q'\,(V_B - V_A).
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Desarrollo

Posición de AA. Módulo del campo en AA:EA=(−25)2+252=252=35,4 N/CE_A = \sqrt{(-25)^2 + 25^2} = 25\sqrt{2} = 35{,}4\ \text{N/C}EA=K qrA2⟹rA=K qEA=9,00⋅109⋅10⋅10−935,4=1,60 mE_A = \frac{K\,q}{r_A^2}\quad\Longrightarrow\quad r_A = \sqrt{\frac{K\,q}{E_A}} = \sqrt{\frac{9{,}00\cdot 10^{9}\cdot 10\cdot 10^{-9}}{35{,}4}} = 1{,}60\ \text{m}La carga es positiva, así que E⃗\vec E apunta desde la carga hacia AA: AA está en la dirección de (−1,1)(-1, 1), en la bisectriz del segundo cuadrante:A=(−rA2, rA2)=(−1,13; 1,13) mA = \left(-\frac{r_A}{\sqrt 2},\ \frac{r_A}{\sqrt 2}\right) = (-1{,}13;\ 1{,}13)\ \text{m}Potenciales. El punto final B=(0,3) mB = (0, 3)\ \text{m} está a rB=3 mr_B = 3\ \text{m} de la carga:VA=K qrA=9,00⋅109⋅10⋅10−91,595=56,4 VVB=K qrB=903=30,0 VV_A = \frac{K\,q}{r_A} = \frac{9{,}00\cdot 10^{9}\cdot 10\cdot 10^{-9}}{1{,}595} = 56{,}4\ \text{V}\qquad V_B = \frac{K\,q}{r_B} = \frac{90}{3} = 30{,}0\ \text{V}Trabajo. El trabajo que debe hacer una fuerza externa (trasladando la carga sin variar su energía cinética) es igual a la variación de energía potencial:Wext=q′ (VB−VA)=2⋅10−9⋅(30,0−56,4)=−5,28⋅10−8 JW_{\text{ext}} = q'\,(V_B - V_A) = 2\cdot 10^{-9}\cdot(30{,}0 - 56{,}4) = -5{,}28\cdot 10^{-8}\ \text{J}El signo negativo indica que no hace falta aportar trabajo: la carga positiva de 2 nC2\ \text{nC} se aleja de la de 10 nC10\ \text{nC}, que la repele, y es el propio campo el que realiza un trabajo positivo de 5,28⋅10−8 J5{,}28\cdot 10^{-8}\ \text{J}.
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Consejo

El trabajo solo depende de las distancias a la carga, no del camino: no te hacen falta las coordenadas de AA, basta con rAr_A. Pero di siempre quién hace el trabajo y qué significa el signo.
Paso 1 de 3
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