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Campo eléctrico uniforme
Problema
2022 · Ordinaria · Suplente
B1-b
Examen
b) Una partícula de masa 21010 kg2 \cdot 10^{-10} \text{ kg} y carga 2106 C2 \cdot 10^{-6} \text{ C} se encuentra inicialmente en reposo en el punto (0,1) m(0,1) \text{ m}. Posteriormente, se aplica un campo eléctrico uniforme de 1000 NC11000 \text{ N} \cdot \text{C}^{-1} en el sentido positivo del eje OXOX. Considerando que no actúa ninguna fuerza gravitatoria sobre la partícula: i) Realice un esquema justificado de la trayectoria descrita por la partícula y ii) determine el trabajo realizado por el campo eléctrico sobre la partícula después de recorrer una distancia de 1 m1 \text{ m}. ¿Cuál será entonces el módulo de la velocidad de la partícula?
Movimiento de partículas cargadasTrabajo eléctricoCinemática
b) i) Realice un esquema justificado de la trayectoria descrita por la partícula.

La partícula, con carga q=2106 Cq = 2 \cdot 10^{-6} \text{ C} (positiva) y masa m=21010 kgm = 2 \cdot 10^{-10} \text{ kg}, se encuentra inicialmente en reposo en el punto (0,1) m(0,1) \text{ m}. Se aplica un campo eléctrico uniforme E\vec{E} en el sentido positivo del eje OXOX, es decir, E=Ei^=1000i^ NC1\vec{E} = E \hat{i} = 1000 \hat{i} \text{ N} \cdot \text{C}^{-1}.La fuerza eléctrica F\vec{F} que actúa sobre la partícula cargada en un campo eléctrico se calcula como:

F=qE\vec{F} = q \vec{E}

Sustituyendo los valores:

F=(2106 C)(1000i^ NC1)=2103i^ N\vec{F} = (2 \cdot 10^{-6} \text{ C}) (1000 \hat{i} \text{ N} \cdot \text{C}^{-1}) = 2 \cdot 10^{-3} \hat{i} \text{ N}

Dado que la carga es positiva y el campo eléctrico está dirigido en el sentido positivo del eje OXOX, la fuerza eléctrica sobre la partícula también estará dirigida en el sentido positivo del eje OXOX.Según la segunda ley de Newton, la aceleración de la partícula es a=F/m\vec{a} = \vec{F}/m. Como la fuerza es constante y está dirigida en el eje OXOX, la aceleración también será constante y estará dirigida en el eje OXOX. Puesto que la partícula parte del reposo (v0=0)(\vec{v}_0 = \vec{0}), se moverá con un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado a lo largo de una línea paralela al eje OXOX, manteniendo su coordenada yy inicial de 1 m1 \text{ m}. Por lo tanto, la trayectoria será una línea recta horizontal en y=1 my=1 \text{ m}, moviéndose hacia la derecha.

XY+$q$
b) ii) determine el trabajo realizado por el campo eléctrico sobre la partícula después de recorrer una distancia de 1 m1 \text{ m}. ¿Cuál será entonces el módulo de la velocidad de la partícula?

El trabajo realizado por el campo eléctrico sobre la partícula se calcula como el producto escalar de la fuerza eléctrica por el vector desplazamiento. Como la fuerza es constante y la partícula se desplaza 1 m1 \text{ m} en la misma dirección y sentido de la fuerza (es decir, a lo largo del eje OXOX), el trabajo es:

W = \vec{F} \cdot \Delta \vec{r} = F \cdot \Delta x \cdot \cos(0^\circ) = F \cdot \Delta x

Donde F=qEF = qE y Δx=1 m\Delta x = 1 \text{ m}.

W=(qE)Δx=(2106 C)(1000 NC1)(1 m)W = (qE) \Delta x = (2 \cdot 10^{-6} \text{ C}) (1000 \text{ N} \cdot \text{C}^{-1}) (1 \text{ m})
W=2103 JW = 2 \cdot 10^{-3} \text{ J}

Para determinar el módulo de la velocidad de la partícula, aplicamos el Teorema de las Fuerzas Vivas o Teorema Trabajo-Energía Cinética, que establece que el trabajo total realizado sobre una partícula es igual al cambio en su energía cinética:

W=ΔK=KfKiW = \Delta K = K_f - K_i

La partícula parte del reposo, por lo tanto, su energía cinética inicial es Ki=0K_i = 0. La energía cinética final es Kf=12mvf2K_f = \frac{1}{2}mv_f^2. Entonces:

W=12mvf2W = \frac{1}{2}mv_f^2

Despejamos vfv_f:

vf=2Wmv_f = \sqrt{\frac{2W}{m}}

Sustituimos los valores:

vf=2(2103 J)21010 kgv_f = \sqrt{\frac{2 \cdot (2 \cdot 10^{-3} \text{ J})}{2 \cdot 10^{-10} \text{ kg}}}
vf=4103 J21010 kg=2107 m2s2v_f = \sqrt{\frac{4 \cdot 10^{-3} \text{ J}}{2 \cdot 10^{-10} \text{ kg}}} = \sqrt{2 \cdot 10^7 \text{ m}^2 \cdot \text{s}^{-2}}
vf=20106 m2s2=20103 ms1v_f = \sqrt{20 \cdot 10^6 \text{ m}^2 \cdot \text{s}^{-2}} = \sqrt{20} \cdot 10^3 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}
vf4.472103 ms1v_f \approx 4.472 \cdot 10^3 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}