FísicaMedioProblema · 2 pts

Campo y potencial eléctrico

Comunidad de Madrid · 2023 · Julio
Enunciado
Una carga situada en un punto del plano xyxy da lugar a un potencial de 54 V54\,\text{V} y a un campo eléctrico E⃗=−180 j⃗ V m−1\vec E = -180\,\vec j\ \text{V m}^{-1} en el origen de coordenadas.

a) Determine el valor de la carga y su posición.

b) Se trae una segunda carga desde el infinito hasta el origen de coordenadas, proceso en el que la fuerza ejercida por la primera carga realiza un trabajo de −270 nJ-270\,\text{nJ}. Determine el valor de la segunda carga.

Dato: Constante de la ley de Coulomb, K=9⋅109 N m2 C−2K = 9\cdot 10^{9}\ \text{N m}^2\,\text{C}^{-2}.
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Resultado
  q=1,8⋅10−9 Cen(0; 0,3) m  \boxed{\;q = 1{,}8\cdot 10^{-9}\ \text{C}\quad\text{en}\quad (0;\ 0{,}3)\ \text{m}\;}  q′=5⋅10−9 C  \boxed{\;q' = 5\cdot 10^{-9}\ \text{C}\;}
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Estrategia

Tenemos dos ecuaciones para dos incógnitas: el potencial, V=Kq/dV = Kq/d, y el módulo del campo, E=Kq/d2E = Kq/d^2. Al dividirlas se va la carga y queda la distancia; con ella, la carga. El potencial positivo dice que la carga es positiva, y una carga positiva crea un campo que se aleja de ella: si en el origen el campo apunta hacia −y-y, la carga tiene que estar en el semieje yy positivo.

Para el apartado b), el trabajo que hace el campo al traer una carga desde el infinito es W=q′ (V∞−VO)W = q'\,(V_\infty - V_O). Como sabemos el trabajo y el potencial en el origen, despejamos q′q'.
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Desarrollo

a) Si dd es la distancia de la carga al origen:V=Kqd=54 VE=Kqd2=180 V/mV = \frac{Kq}{d} = 54\ \text{V} \qquad E = \frac{Kq}{d^2} = 180\ \text{V/m}Dividiendo la primera entre la segunda:VE=d=54180=0,3 m\frac{V}{E} = d = \frac{54}{180} = 0{,}3\ \text{m}Y con la expresión del potencial:q=V dK=54⋅0,39⋅109=1,8⋅10−9 C=1,8 nCq = \frac{V\,d}{K} = \frac{54\cdot 0{,}3}{9\cdot 10^{9}} = 1{,}8\cdot 10^{-9}\ \text{C} = 1{,}8\ \text{nC}La carga es positiva (V>0V > 0), así que su campo apunta alejándose de ella. En el origen el campo va hacia −j⃗-\vec j, luego la carga está a 0,3 m0{,}3\,\text{m} en el sentido +j⃗+\vec j:posicioˊn de la carga: (0; 0,3) m\text{posición de la carga: } (0;\ 0{,}3)\ \text{m}b) El trabajo que realiza la fuerza eléctrica al llevar la carga q′q' desde el infinito (donde V∞=0V_\infty = 0) hasta el origen es:W∞→O=q′(V∞−VO)=−q′ VOW_{\infty\to O} = q'\left(V_\infty - V_O\right) = -q'\,V_ODespejamos la carga:q′=−WVO=−−270⋅10−954=5⋅10−9 C=5 nCq' = -\frac{W}{V_O} = -\frac{-270\cdot 10^{-9}}{54} = 5\cdot 10^{-9}\ \text{C} = 5\ \text{nC}Es positiva, como cabía esperar: el trabajo del campo es negativo porque las dos cargas se repelen y hay que empujar a q′q' (con una fuerza externa) para acercarla.
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Consejo

Cuando te den VV y EE de una misma carga puntual, el cociente V/EV/E es directamente la distancia: es el truco de este tipo de ejercicios.

Para la posición, razona con el sentido del campo: sale de las cargas positivas y entra en las negativas. Y en el trabajo, distingue el del campo (W=−q ΔVW = -q\,\Delta V) del de la fuerza externa, que es el mismo con el signo cambiado.
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