FísicaMedio1 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla y León · 2023 · Junio
Enunciado
Dos cargas puntuales q1q_1 y q2q_2 se encuentran en la posición (0,1)(0, 1) y (0,−1)(0, -1), respectivamente (unidades del S.I.). Halle el valor de las cargas para que el campo eléctrico en (1,0)(1, 0) sea E⃗=4,5⋅103 ı⃗ (N C−1)\vec E = 4{,}5\cdot 10^{3}\ \vec\imath\ (\text{N}\,\text{C}^{-1}).

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
  q1=q2=7,07⋅10−7 C  (ambas positivas)  \boxed{\;q_1 = q_2 = 7{,}07\cdot 10^{-7}\ \text{C}\ \ (\text{ambas positivas})\;}
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Estrategia

El campo en P(1,0)P(1, 0) es la suma vectorial de los campos de las dos cargas. Cada carga está a 2 m\sqrt2\ \text{m} de PP y su campo tiene la dirección de la recta que la une con PP. Exigimos que la componente yy total sea nula y que la componente xx valga 4,5⋅103 N/C4{,}5\cdot 10^{3}\ \text{N/C}: es un sistema de dos ecuaciones con q1q_1 y q2q_2.
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Desarrollo

Distancia de cada carga a P(1,0)P(1, 0):r=12+12=2 mr2=2 m2r = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt2\ \text{m}\qquad r^2 = 2\ \text{m}^2Vectores unitarios desde cada carga hacia PP:u⃗1=(1,0)−(0,1)2=ı⃗−ȷ⃗2u⃗2=(1,0)−(0,−1)2=ı⃗+ȷ⃗2\vec u_1 = \frac{(1, 0) - (0, 1)}{\sqrt2} = \frac{\vec\imath - \vec\jmath}{\sqrt2}\qquad \vec u_2 = \frac{(1, 0) - (0, -1)}{\sqrt2} = \frac{\vec\imath + \vec\jmath}{\sqrt2}Campo total en PP (con el signo de cada carga dentro):E⃗=Kq1r2 u⃗1+Kq2r2 u⃗2=K22[(q1+q2) ı⃗+(q2−q1) ȷ⃗]\vec E = \frac{K q_1}{r^2}\,\vec u_1 + \frac{K q_2}{r^2}\,\vec u_2 = \frac{K}{2\sqrt2}\Big[(q_1 + q_2)\,\vec\imath + (q_2 - q_1)\,\vec\jmath\Big]Componente yy nula:q2−q1=0⟹q1=q2=qq_2 - q_1 = 0\quad\Longrightarrow\quad q_1 = q_2 = qComponente xx:K (2q)22=K q2=4,5⋅103⟹q=2⋅4,5⋅1039,00⋅109=7,07⋅10−7 C\frac{K\,(2q)}{2\sqrt2} = \frac{K\,q}{\sqrt2} = 4{,}5\cdot 10^{3}\quad\Longrightarrow\quad q = \frac{\sqrt2\cdot 4{,}5\cdot 10^{3}}{9{,}00\cdot 10^{9}} = 7{,}07\cdot 10^{-7}\ \text{C}Las dos cargas son positivas: sus campos en PP apuntan alejándose de ellas, las componentes verticales se cancelan por simetría y las horizontales se suman hacia +x+x. Cada carga crea en PP un campo de módulo Kq/r2=3,18⋅103 N/CKq/r^2 = 3{,}18\cdot 10^{3}\ \text{N/C}.
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Consejo

Escribe cada campo con su vector unitario y deja el signo de la carga como incógnita: así el sistema te dice solo si las cargas son positivas o negativas.

Un campo sin componente y en un punto del eje de simetría es la pista de que las cargas son iguales.
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