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Electrostática
Problema
2019 · Ordinaria · Reserva
2B-b
Examen

Una partícula con carga 2106 C-2 \cdot 10^{-6} \text{ C} y masa 104 kg10^{-4} \text{ kg} se encuentra en reposo en el origen de coordenadas. Se aplica un campo eléctrico uniforme de 600 N C1600 \text{ N C}^{-1} en sentido positivo del eje OX. Realice un esquema de la situación. La carga se desplaza 2 m2 \text{ m} hacia un punto P. Determine:

i) La diferencia de potencial entre el origen de coordenadas y el punto P.ii) La velocidad de la partícula en el punto P. Considere despreciable la fuerza gravitatoria.
campo eléctrico uniformediferencia de potencialtrabajo eléctrico+1

Datos del problema:

q=2106 Cq = -2 \cdot 10^{-6} \text{ C}
m=104 kgm = 10^{-4} \text{ kg}
E=600i^ N C1\vec{E} = 600 \hat{i} \text{ N C}^{-1}

La partícula se encuentra inicialmente en reposo en el origen de coordenadas (0,0)(0,0). El campo eléctrico es uniforme y apunta en el sentido positivo del eje OX. Dado que la carga es negativa, la fuerza eléctrica F=qE\vec{F} = q\vec{E} que actúa sobre ella tendrá la dirección opuesta al campo eléctrico, es decir, en el sentido negativo del eje OX.

F=(2106 C)(600i^ N C1)=1.2103i^ N\vec{F} = (-2 \cdot 10^{-6} \text{ C})(600 \hat{i} \text{ N C}^{-1}) = -1.2 \cdot 10^{-3} \hat{i} \text{ N}

Si la partícula se desplaza 2 m2 \text{ m} desde el reposo y solo actúa la fuerza eléctrica, se moverá en la dirección de la fuerza. Por lo tanto, el punto P estará en x=2 mx = -2 \text{ m}.Esquema de la situación:

XYmqPg1
i) La diferencia de potencial entre el origen de coordenadas y el punto P.

Para un campo eléctrico uniforme, la diferencia de potencial entre dos puntos A y B se calcula como:

ΔV=VBVA=EΔr\Delta V = V_B - V_A = -\vec{E} \cdot \Delta \vec{r}

En nuestro caso, el punto A es el origen de coordenadas O (0,0)(0,0) y el punto B es P (2,0)(-2,0). El vector desplazamiento es Δr=rPrO=(2i^0i^) m=2i^ m\Delta \vec{r} = \vec{r}_P - \vec{r}_O = (-2\hat{i} - 0\hat{i}) \text{ m} = -2\hat{i} \text{ m}.

VPVO=(600i^ N C1)(2i^ m)V_P - V_O = -(600 \hat{i} \text{ N C}^{-1}) \cdot (-2\hat{i} \text{ m})
VPVO=(1200) VV_P - V_O = -(-1200) \text{ V}
VPVO=1200 VV_P - V_O = 1200 \text{ V}
ii) La velocidad de la partícula en el punto P.

Aplicamos el teorema de las fuerzas vivas (Teorema de la Energía Cinética), que establece que el trabajo realizado por la fuerza eléctrica es igual al cambio en la energía cinética de la partícula. La fuerza gravitatoria es despreciable.

WOE=ΔK=KPKOW_{OE} = \Delta K = K_P - K_O

El trabajo realizado por la fuerza eléctrica también se puede expresar en términos de la carga y la diferencia de potencial:

WOE=q(VPVO)W_{OE} = -q(V_P - V_O)

Sustituimos los valores:

WOE=(2106 C)(1200 V)W_{OE} = -(-2 \cdot 10^{-6} \text{ C})(1200 \text{ V})
WOE=2.4103 JW_{OE} = 2.4 \cdot 10^{-3} \text{ J}

La energía cinética inicial es cero, ya que la partícula parte del reposo (vO=0v_O = 0):

KO=12mvO2=0K_O = \frac{1}{2}mv_O^2 = 0

Entonces, la energía cinética final en el punto P es igual al trabajo realizado:

12mvP2=WOE\frac{1}{2}mv_P^2 = W_{OE}

Despejamos la velocidad vPv_P:

vP2=2WOEmv_P^2 = \frac{2W_{OE}}{m}
vP2=2(2.4103 J)104 kgv_P^2 = \frac{2 \cdot (2.4 \cdot 10^{-3} \text{ J})}{10^{-4} \text{ kg}}
vP2=4.8103104 m2/s2v_P^2 = \frac{4.8 \cdot 10^{-3}}{10^{-4}} \text{ m}^2/\text{s}^2
vP2=48 m2/s2v_P^2 = 48 \text{ m}^2/\text{s}^2
vP=48 m/sv_P = \sqrt{48} \text{ m/s}
vP=43 m/s6.93 m/sv_P = 4\sqrt{3} \text{ m/s} \approx 6.93 \text{ m/s}