FísicaMedio2 pts

Campo y potencial eléctrico

Extremadura · 2023 · Junio
Enunciado
Dos cargas eléctricas están situadas en los puntos (2,0)(2, 0) y (4,0)(4, 0) de un sistema de coordenadas en el que las distancias se miden en metros. La primera es de 3 μC3\ \mu\text{C} y la segunda de 6 μC6\ \mu\text{C}. Calcular:

a) el potencial eléctrico en los puntos A(0,1)A(0, 1) y B(0,8)B(0, 8) y

b) el trabajo realizado por ambas cargas para desplazar una tercera carga de 4 μC4\ \mu\text{C} del punto A al B.

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=2,52⋅104 VVB=9,31⋅103 V  \boxed{\;V_A = 2{,}52\cdot 10^{4}\ \text{V}\qquad V_B = 9{,}31\cdot 10^{3}\ \text{V}\;}  WA→B=q (VA−VB)=6,34⋅10−2 J (lo hace el campo)  \boxed{\;W_{A\to B} = q\,(V_A - V_B) = 6{,}34\cdot 10^{-2}\ \text{J}\ \text{(lo hace el campo)}\;}
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Estrategia

El potencial es un escalar: en cada punto se suman los potenciales V=Kq/rV = Kq/r de las dos cargas, con las distancias calculadas por Pitágoras. El trabajo que hace el campo creado por las dos cargas al llevar la tercera de A a B es W=q (VA−VB)W = q\,(V_A - V_B); como las tres cargas son positivas y B está más lejos, la carga se aleja empujada por la repulsión y el trabajo saldrá positivo.
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Desarrollo

Llamamos q1=3⋅10−6 Cq_1 = 3\cdot 10^{-6}\ \text{C}, en (2,0)(2, 0), y q2=6⋅10−6 Cq_2 = 6\cdot 10^{-6}\ \text{C}, en (4,0)(4, 0).

a) Distancias de cada carga a los puntos A y B:r1A=22+12=5=2,236 mr2A=42+12=17=4,123 mr_{1A} = \sqrt{2^2 + 1^2} = \sqrt{5} = 2{,}236\ \text{m} \qquad r_{2A} = \sqrt{4^2 + 1^2} = \sqrt{17} = 4{,}123\ \text{m}r1B=22+82=68=8,246 mr2B=42+82=80=8,944 mr_{1B} = \sqrt{2^2 + 8^2} = \sqrt{68} = 8{,}246\ \text{m} \qquad r_{2B} = \sqrt{4^2 + 8^2} = \sqrt{80} = 8{,}944\ \text{m}Potencial en A, suma de los potenciales de las dos cargas:VA=K q1r1A+K q2r2A=9⋅109(3⋅10−62,236+6⋅10−64,123)=1,207⋅104+1,310⋅104=2,52⋅104 VV_A = K\,\frac{q_1}{r_{1A}} + K\,\frac{q_2}{r_{2A}} = 9\cdot 10^{9}\left(\frac{3\cdot 10^{-6}}{2{,}236} + \frac{6\cdot 10^{-6}}{4{,}123}\right) = 1{,}207\cdot 10^{4} + 1{,}310\cdot 10^{4} = 2{,}52\cdot 10^{4}\ \text{V}Potencial en B:VB=9⋅109(3⋅10−68,246+6⋅10−68,944)=3,27⋅103+6,04⋅103=9,31⋅103 VV_B = 9\cdot 10^{9}\left(\frac{3\cdot 10^{-6}}{8{,}246} + \frac{6\cdot 10^{-6}}{8{,}944}\right) = 3{,}27\cdot 10^{3} + 6{,}04\cdot 10^{3} = 9{,}31\cdot 10^{3}\ \text{V}b) El campo eléctrico es conservativo: el trabajo que hace sobre la carga q=4⋅10−6 Cq = 4\cdot 10^{-6}\ \text{C} al llevarla de A a B solo depende de los potenciales de esos dos puntos:WA→B=−ΔEp=q (VA−VB)=4⋅10−6⋅(2,517⋅104−9,31⋅103)=4⋅10−6⋅1,586⋅104W_{A\to B} = -\Delta E_p = q\,(V_A - V_B) = 4\cdot 10^{-6}\cdot\left(2{,}517\cdot 10^{4} - 9{,}31\cdot 10^{3}\right) = 4\cdot 10^{-6}\cdot 1{,}586\cdot 10^{4}WA→B=6,34⋅10−2 JW_{A\to B} = 6{,}34\cdot 10^{-2}\ \text{J}El trabajo del campo es positivo: la carga positiva se mueve espontáneamente de A a B, alejándose de las dos cargas que la repelen, y pierde energía potencial. Un agente externo que la llevara de A a B con velocidad constante haría un trabajo de −6,34⋅10−2 J-6{,}34\cdot 10^{-2}\ \text{J}.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

El potencial se suma como número, sin componentes: aquí no hace falta ningún ángulo, solo las distancias. Es mucho más rápido que calcular el campo.

Para el trabajo, W=q (Vinicial−Vfinal)W = q\,(V_{\text{inicial}} - V_{\text{final}}) es el del campo. Si te preguntan por el de una fuerza exterior, cambia el signo.
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