FísicaMedio1 pts

Campo y potencial eléctrico

Castilla y León · 2024 · Julio
Enunciado
Dos cargas eléctricas de 1 μC1\ \mu\text{C} se sitúan, respectivamente, en los puntos A (0,2) mA\,(0, 2)\ \text{m} y B (0,−2) mB\,(0, -2)\ \text{m}. ¿Qué carga eléctrica debe colocarse en el punto C (−2,0) mC\,(-2, 0)\ \text{m} para que el campo eléctrico en el punto D (2,0) mD\,(2, 0)\ \text{m} sea nulo?

Datos (de la tabla de constantes del examen): K0=9,00⋅109 N m2 C−2K_0 = 9{,}00\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{C}^{-2}.
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Resultado
  Q=−22 μC=−2,83⋅10−6 C  \boxed{\;Q = -2\sqrt{2}\ \mu\text{C} = -2{,}83\cdot 10^{-6}\ \text{C}\;}
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Estrategia

Por simetría, las componentes verticales de los campos de las cargas en AA y BB se anulan en DD y solo queda una componente horizontal, hacia +x+x (las cargas son positivas). La carga en CC está sobre el eje XX, así que su campo en DD también es horizontal: basta con que valga lo mismo y apunte hacia −x-x. Eso exige que sea negativa.
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Desarrollo

Distancia de AA (y de BB) a DD:rAD=22+22=22 mrAD2=8 m2r_{AD} = \sqrt{2^2 + 2^2} = 2\sqrt{2}\ \text{m}\qquad r_{AD}^2 = 8\ \text{m}^2Módulo del campo de cada una de esas cargas en DD:EA=EB=K0 qrAD2=9,00⋅109⋅10−68=1125 N/CE_A = E_B = \frac{K_0\,q}{r_{AD}^2} = \frac{9{,}00\cdot 10^{9}\cdot 10^{-6}}{8} = 1125\ \text{N/C}El campo de AA en DD va de AA a DD, en la dirección (2,−2)/(22)(2, -2)/(2\sqrt 2), y el de BB en la dirección (2,2)/(22)(2, 2)/(2\sqrt 2). Las componentes yy se cancelan y las xx se suman:E⃗A+E⃗B=2⋅1125⋅12 i⃗=1,59⋅103 i⃗  N/C\vec E_A + \vec E_B = 2\cdot 1125\cdot\frac{1}{\sqrt 2}\,\vec i = 1{,}59\cdot 10^{3}\,\vec i\ \ \text{N/C}La carga QQ en CC está a rCD=4 mr_{CD} = 4\ \text{m} de DD. Su campo en DD es E⃗C=K0 Q16 i⃗\vec E_C = \dfrac{K_0\,Q}{16}\,\vec i (hacia +x+x si Q>0Q > 0). Imponemos campo total nulo:K0 Q16+1,591⋅103=0⟹Q=−16⋅1,591⋅1039,00⋅109=−2,83⋅10−6 C\frac{K_0\,Q}{16} + 1{,}591\cdot 10^{3} = 0\quad\Longrightarrow\quad Q = -\frac{16\cdot 1{,}591\cdot 10^{3}}{9{,}00\cdot 10^{9}} = -2{,}83\cdot 10^{-6}\ \text{C}Exactamente, Q=−22 μCQ = -2\sqrt 2\ \mu\text{C}. Sale negativa: atrae hacia CC y compensa el empuje de las dos cargas positivas.
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Consejo

Antes de calcular, dibuja los vectores en el punto: la simetría te dice qué componentes se anulan y el sentido que falta te dice el signo de la carga que buscas.
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