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Campo y potencial eléctrico

Comunidad de Madrid · 2026 · Julio
Enunciado
Una carga positiva q1q_1 se halla situada en el origen de coordenadas del plano xyxy. En un punto P situado en el eje xx y a una distancia desconocida del origen, el potencial eléctrico debido a dicha carga es de 9⋅102 V9\cdot 10^{2}\,\text{V} y el módulo del campo eléctrico en esa misma posición es de 1,8⋅104 N C−11{,}8\cdot 10^{4}\,\text{N}\,\text{C}^{-1}.

a) (1,6 puntos) Calcule el valor de la carga q1q_1 y la distancia d1d_1 que hay entre la carga y el punto P.

b) (0,9 puntos) Si a continuación, manteniendo la carga q1q_1 en el origen de coordenadas, situamos una segunda carga, q2q_2, de −10 nC-10\,\text{nC} en la posición (0,5) cm(0, 5)\,\text{cm} del plano xyxy, determine el vector campo eléctrico en la posición (5,0) cm(5, 0)\,\text{cm}.

Dato: Constante 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
  q1=5 nCd1=5 cm  \boxed{\;q_1 = 5\ \text{nC}\qquad d_1 = 5\ \text{cm}\;}  E⃗(5,0) cm=5,27⋅103 i⃗+1,27⋅104 j⃗  N C−1E=1,38⋅104 N C−1  \boxed{\;\vec E(5, 0)\,\text{cm} = 5{,}27\cdot 10^{3}\,\vec i + 1{,}27\cdot 10^{4}\,\vec j\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}\qquad E = 1{,}38\cdot 10^{4}\ \text{N}\,\text{C}^{-1}\;}
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Estrategia

El potencial y el campo de una carga puntual dependen de la distancia de forma distinta: V=Kq/dV = Kq/d y E=Kq/d2E = Kq/d^2. Su cociente no depende de la carga, V/E=dV/E = d, así que la distancia sale de dividir los dos datos y, con ella, la carga.

En b) el punto (5,0) cm(5, 0)\,\text{cm} está a 5 cm5\,\text{cm} de q1q_1: es justo el punto P del apartado a), así que el campo de q1q_1 ya lo conocemos. Falta el de q2q_2, que al ser negativa apunta hacia ella, en diagonal. Se suman los dos vectores por componentes.
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Desarrollo

a) Escribimos el potencial y el módulo del campo de q1q_1 en P:V1=Kq1d1=9⋅102 VE1=Kq1d12=1,8⋅104 N C−1V_1 = \frac{Kq_1}{d_1} = 9\cdot 10^{2}\ \text{V}\qquad E_1 = \frac{Kq_1}{d_1^2} = 1{,}8\cdot 10^{4}\ \text{N}\,\text{C}^{-1}Dividiendo la primera entre la segunda se van KK y q1q_1:V1E1=d1=9⋅1021,8⋅104=5⋅10−2 m=5 cm\frac{V_1}{E_1} = d_1 = \frac{9\cdot 10^{2}}{1{,}8\cdot 10^{4}} = 5\cdot 10^{-2}\ \text{m} = 5\ \text{cm}Y del potencial despejamos la carga:q1=V1 d1K=9⋅102⋅5⋅10−29⋅109=5⋅10−9 C=5 nCq_1 = \frac{V_1\,d_1}{K} = \frac{9\cdot 10^{2}\cdot 5\cdot 10^{-2}}{9\cdot 10^{9}} = 5\cdot 10^{-9}\ \text{C} = 5\ \text{nC}Es positiva, como dice el enunciado (y como exige que el potencial sea positivo).

b) Campo de q1q_1. El punto (5,0) cm(5, 0)\,\text{cm} está a d1=5 cmd_1 = 5\,\text{cm} de q1q_1, sobre el eje xx. El módulo es el del apartado a) y, como q1q_1 es positiva, el campo apunta alejándose de ella, hacia +x+x:E⃗1=Kq1d12 i⃗=9⋅109⋅5⋅10−9(5⋅10−2)2 i⃗=1,8⋅104 i⃗  N C−1\vec E_1 = \frac{Kq_1}{d_1^2}\,\vec i = \frac{9\cdot 10^{9}\cdot 5\cdot 10^{-9}}{(5\cdot 10^{-2})^2}\,\vec i = 1{,}8\cdot 10^{4}\,\vec i\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}Campo de q2q_2. La distancia de q2q_2, en (0,5) cm(0, 5)\,\text{cm}, al punto (5,0) cm(5, 0)\,\text{cm} es la diagonal de un cuadrado de 5 cm5\,\text{cm} de lado:d22=0,052+0,052=5⋅10−3 m2d2=7,07⋅10−2 md_2^2 = 0{,}05^2 + 0{,}05^2 = 5\cdot 10^{-3}\ \text{m}^2\qquad d_2 = 7{,}07\cdot 10^{-2}\ \text{m}E2=K∣q2∣d22=9⋅109⋅10⋅10−95⋅10−3=1,8⋅104 N C−1E_2 = \frac{K|q_2|}{d_2^2} = \frac{9\cdot 10^{9}\cdot 10\cdot 10^{-9}}{5\cdot 10^{-3}} = 1{,}8\cdot 10^{4}\ \text{N}\,\text{C}^{-1}Como q2q_2 es negativa, el campo apunta desde el punto hacia la carga, es decir, hacia arriba y a la izquierda, a 45∘45^\circ. Su vector unitario es (−i⃗+j⃗)/2(-\vec i + \vec j)/\sqrt 2:E⃗2=1,8⋅104⋅−i⃗+j⃗2=−1,27⋅104 i⃗+1,27⋅104 j⃗  N C−1\vec E_2 = 1{,}8\cdot 10^{4}\cdot\frac{-\vec i + \vec j}{\sqrt 2} = -1{,}27\cdot 10^{4}\,\vec i + 1{,}27\cdot 10^{4}\,\vec j\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}Campo total. Por el principio de superposición:E⃗=E⃗1+E⃗2=(1,8⋅104−1,27⋅104) i⃗+1,27⋅104 j⃗\vec E = \vec E_1 + \vec E_2 = (1{,}8\cdot 10^{4} - 1{,}27\cdot 10^{4})\,\vec i + 1{,}27\cdot 10^{4}\,\vec jE⃗=5,27⋅103 i⃗+1,27⋅104 j⃗  N C−1\vec E = 5{,}27\cdot 10^{3}\,\vec i + 1{,}27\cdot 10^{4}\,\vec j\ \ \text{N}\,\text{C}^{-1}Su módulo es E=(5,27⋅103)2+(1,27⋅104)2=1,38⋅104 N C−1E = \sqrt{(5{,}27\cdot 10^{3})^2 + (1{,}27\cdot 10^{4})^2} = 1{,}38\cdot 10^{4}\,\text{N}\,\text{C}^{-1}. Como los dos campos miden lo mismo, la suma va por la bisectriz del ángulo de 135∘135^\circ que forman: a 67,5∘67{,}5^\circ del eje xx.

En la simulación (posiciones en metros) puedes ver los dos campos y su suma en el punto (5,0) cm(5, 0)\,\text{cm}:
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Con el potencial y el campo de una misma carga puntual, divide: V/E=dV/E = d. Es la forma más rápida de sacar la distancia sin conocer la carga.

Para el sentido de cada campo no hace falta arrastrar signos en la fórmula: el campo de una carga positiva sale de ella y el de una negativa entra en ella. Calcula el módulo con ∣q∣|q| y pon tú el sentido mirando el dibujo.
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