FísicaFácilProblema · 2 pts

Campo y potencial eléctrico

Comunidad de Madrid · 2024 · Junio
Enunciado
Dos partículas situadas en los puntos (−6,0) mm(-6, 0)\ \text{mm} y (6,0) mm(6, 0)\ \text{mm} del plano xyxy poseen cargas iguales de +9 nC+9\ \text{nC}. Obtenga el potencial eléctrico y el campo eléctrico en:

a) El origen de coordenadas.

b) El punto (0,3) mm(0, 3)\ \text{mm}.

Dato: Constante de la ley de Coulomb, K=9⋅109 N m2 C−2K = 9\cdot 10^{9}\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{C}^{-2}.
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Resultado
  a) VO=2,7⋅104 VE⃗O=0⃗  \boxed{\;\text{a) } V_O = 2{,}7\cdot 10^{4}\ \text{V}\qquad \vec E_O = \vec 0\;}  b) VP=2,41⋅104 VE⃗P=1,61⋅106 j⃗ N/C  \boxed{\;\text{b) } V_P = 2{,}41\cdot 10^{4}\ \text{V}\qquad \vec E_P = 1{,}61\cdot 10^{6}\,\vec j\ \text{N/C}\;}
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Estrategia

Aplicamos el principio de superposición. El potencial es un escalar: basta sumar Kq/rKq/r de cada carga. El campo es un vector: hay que sumar componentes.

La situación es simétrica respecto del eje yy, y eso ahorra trabajo: en el origen los dos campos son iguales y opuestos y se anulan, y en el punto (0,3) mm(0, 3)\ \text{mm} se cancelan las componentes xx y se suman las yy. Lo único delicado es pasar los milímetros a metros.
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Desarrollo

Llamamos q1q_1 a la carga de (−6,0) mm(-6, 0)\ \text{mm} y q2q_2 a la de (6,0) mm(6, 0)\ \text{mm}, con q1=q2=q=9⋅10−9 Cq_1 = q_2 = q = 9\cdot 10^{-9}\ \text{C}. Un producto que usaremos mucho:Kq=9⋅109⋅9⋅10−9=81 N m2 C−1K q = 9\cdot 10^{9}\cdot 9\cdot 10^{-9} = 81\ \text{N}\,\text{m}^2\,\text{C}^{-1}a) En el origen, cada carga está a r=6 mm=6⋅10−3 mr = 6\ \text{mm} = 6\cdot 10^{-3}\ \text{m}. El potencial es la suma de los dos:VO=2 Kqr=2⋅816⋅10−3=2,7⋅104 VV_O = 2\,\frac{K q}{r} = 2\cdot\frac{81}{6\cdot 10^{-3}} = 2{,}7\cdot 10^{4}\ \text{V}Cada carga crea en el origen un campo de móduloE=Kqr2=81(6⋅10−3)2=2,25⋅106 N/CE = \frac{K q}{r^2} = \frac{81}{\left(6\cdot 10^{-3}\right)^2} = 2{,}25\cdot 10^{6}\ \text{N/C}Las cargas son positivas, así que cada campo apunta alejándose de su carga: el de q1q_1 hacia +x+x y el de q2q_2 hacia −x-x. Se anulan:E⃗O=2,25⋅106 i⃗−2,25⋅106 i⃗=0⃗\vec E_O = 2{,}25\cdot 10^{6}\,\vec i - 2{,}25\cdot 10^{6}\,\vec i = \vec 0b) El punto P(0,3) mmP(0, 3)\ \text{mm} está a la misma distancia de las dos cargas:r=62+32 mm=45 mm=6,71⋅10−3 mr = \sqrt{6^2 + 3^2}\ \text{mm} = \sqrt{45}\ \text{mm} = 6{,}71\cdot 10^{-3}\ \text{m}Potencial:VP=2 Kqr=2⋅816,71⋅10−3=2,41⋅104 VV_P = 2\,\frac{K q}{r} = 2\cdot\frac{81}{6{,}71\cdot 10^{-3}} = 2{,}41\cdot 10^{4}\ \text{V}Módulo del campo de cada carga:E1=E2=Kqr2=8145⋅10−6=1,80⋅106 N/CE_1 = E_2 = \frac{K q}{r^2} = \frac{81}{45\cdot 10^{-6}} = 1{,}80\cdot 10^{6}\ \text{N/C}Cada campo apunta desde su carga hacia PP. Los vectores unitarios son u⃗1=(6,3)/45\vec u_1 = (6, 3)/\sqrt{45} desde q1q_1 y u⃗2=(−6,3)/45\vec u_2 = (-6, 3)/\sqrt{45} desde q2q_2:E⃗1=1,80⋅106(0,894 i⃗+0,447 j⃗) N/CE⃗2=1,80⋅106(−0,894 i⃗+0,447 j⃗) N/C\vec E_1 = 1{,}80\cdot 10^{6}\left(0{,}894\,\vec i + 0{,}447\,\vec j\right)\ \text{N/C}\qquad \vec E_2 = 1{,}80\cdot 10^{6}\left(-0{,}894\,\vec i + 0{,}447\,\vec j\right)\ \text{N/C}Las componentes xx se cancelan por simetría y las yy se suman:E⃗P=2⋅1,80⋅106⋅0,447 j⃗=1,61⋅106 j⃗ N/C\vec E_P = 2\cdot 1{,}80\cdot 10^{6}\cdot 0{,}447\,\vec j = 1{,}61\cdot 10^{6}\,\vec j\ \text{N/C}El campo apunta hacia arriba, alejándose del segmento que une las dos cargas positivas.
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Consejo

Que el campo sea nulo no significa que el potencial lo sea: en el origen E⃗=0⃗\vec E = \vec 0 pero V=27 kVV = 27\ \text{kV}. El potencial es un escalar y las contribuciones de dos cargas positivas se suman siempre.

Pasa los milímetros a metros antes de nada, y recuerda que en el campo la distancia va al cuadrado: (6⋅10−3)2=3,6⋅10−5 m2(6\cdot 10^{-3})^2 = 3{,}6\cdot 10^{-5}\ \text{m}^2.
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