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2020 · Ordinaria · Reserva
6-a
Examen
a) Dos cargas distintas QQ y qq, separadas una distancia dd, producen un potencial eléctrico cero en un punto PP situado en la línea que une ambas cargas. Discuta razonadamente la veracidad de las siguientes afirmaciones: i) Las cargas deben de tener el mismo signo. ii) El campo eléctrico debe ser nulo en PP.
Potencial eléctricoCampo eléctricoSuperposición
a) Discusión razonada de las afirmaciones:

El potencial eléctrico en un punto PP debido a dos cargas puntuales QQ y qq situadas a distancias rQr_Q y rqr_q respectivamente, viene dado por la suma algebraica de los potenciales individuales:

VP=kQrQ+kqrqV_P = k \frac{Q}{r_Q} + k \frac{q}{r_q}

donde kk es la constante de Coulomb.

i) Las cargas deben de tener el mismo signo.

Si el potencial eléctrico en el punto PP es cero (VP=0V_P = 0), entonces:

kQrQ+kqrq=0    QrQ=qrqk \frac{Q}{r_Q} + k \frac{q}{r_q} = 0 \implies \frac{Q}{r_Q} = - \frac{q}{r_q}

Para que esta igualdad se cumpla, las cargas QQ y qq deben tener signos opuestos. Si ambas cargas tuvieran el mismo signo, los términos kQ/rQkQ/r_Q y kq/rqkq/r_q tendrían el mismo signo (ambos positivos o ambos negativos), y su suma nunca podría ser cero (a menos que ambas cargas fueran nulas, lo cual no es el caso). Por lo tanto, la afirmación es falsa.

ii) El campo eléctrico debe ser nulo en PP.

El campo eléctrico en un punto PP debido a varias cargas es la suma vectorial de los campos eléctricos individuales:

EP=EQ+Eq\vec{E}_P = \vec{E}_Q + \vec{E}_q

Sabemos, de la discusión anterior, que las cargas QQ y qq deben tener signos opuestos. Consideremos dos casos para la posición del punto PP:1. Punto PP situado entre las cargas QQ y qq: Si QQ es positiva y qq es negativa, el campo EQ\vec{E}_Q (alejándose de QQ) y el campo Eq\vec{E}_q (acercándose a qq) apuntarían en la misma dirección a lo largo de la línea que las une. En este caso, la suma vectorial de los campos nunca puede ser cero, ya que ambos tienen la misma dirección y sus magnitudes son positivas.2. Punto PP situado fuera del segmento que une las cargas QQ y qq: En este caso, los vectores campo eléctrico EQ\vec{E}_Q y Eq\vec{E}_q apuntarían en direcciones opuestas. Para que el campo eléctrico neto sea nulo, no solo deben apuntar en direcciones opuestas, sino que sus magnitudes deben ser iguales: EQ=EqE_Q = E_q.

kQrQ2=kqrq2    QrQ2=qrq2k \frac{|Q|}{r_Q^2} = k \frac{|q|}{r_q^2} \implies \frac{|Q|}{r_Q^2} = \frac{|q|}{r_q^2}

Sin embargo, la condición para que el potencial sea nulo es QrQ=qrq\frac{Q}{r_Q} = - \frac{q}{r_q}, lo que implica QrQ=qrq\frac{|Q|}{r_Q} = \frac{|q|}{r_q} (dado que QQ y qq tienen signos opuestos).Si dividimos la condición para campo nulo por la condición para potencial nulo (en magnitudes):

(QrQ2)/(QrQ)=(qrq2)/(qrq)\left( \frac{|Q|}{r_Q^2} \right) / \left( \frac{|Q|}{r_Q} \right) = \left( \frac{|q|}{r_q^2} \right) / \left( \frac{|q|}{r_q} \right)
1rQ=1rq    rQ=rq\frac{1}{r_Q} = \frac{1}{r_q} \implies r_Q = r_q

Es decir, para que el campo eléctrico también sea nulo en PP, el punto PP debe estar equidistante de ambas cargas (rQ=rqr_Q = r_q). Si rQ=rqr_Q = r_q, entonces de la condición de potencial nulo QrQ=qrq\frac{|Q|}{r_Q} = \frac{|q|}{r_q}, se deduce que Q=q|Q| = |q|. Por lo tanto, el campo eléctrico solo sería nulo si las cargas tuvieran la misma magnitud y signos opuestos, y el punto PP estuviera justo en el punto medio entre ellas (donde los campos se anulan por simetría, ya que son de igual magnitud y dirección opuesta). No obstante, el punto de potencial nulo no tiene por qué ser el punto medio. De hecho, generalmente no lo es a menos que las magnitudes de las cargas sean iguales.En el caso general de que VP=0V_P = 0 pero Qq|Q| \ne |q|, el punto PP no estará a la misma distancia de ambas cargas, y por lo tanto, las magnitudes de los campos eléctricos individuales no se cancelarán. Así, el campo eléctrico resultante no será nulo.Por lo tanto, la afirmación es falsa. El hecho de que el potencial sea cero en un punto PP no implica necesariamente que el campo eléctrico también lo sea.