b) Una partícula de masa 2⋅10−10 kg y carga 2⋅10−6 C se encuentra inicialmente en reposo en el punto (0,1) m. Posteriormente, se aplica un campo eléctrico uniforme de 1000 N⋅C−1 en el sentido positivo del eje OX. 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 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=2⋅10−6 C (positiva) y masa m=2⋅10−10 kg, se encuentra inicialmente en reposo en el punto (0,1) m. Se aplica un campo eléctrico uniforme E en el sentido positivo del eje OX, es decir, E=Ei^=1000i^ N⋅C−1.La fuerza eléctrica F que actúa sobre la partícula cargada en un campo eléctrico se calcula como:
F=qE
Sustituyendo los valores:
F=(2⋅10−6 C)(1000i^ N⋅C−1)=2⋅10−3i^ N
Dado que la carga es positiva y el campo eléctrico está dirigido en el sentido positivo del eje OX, la fuerza eléctrica sobre la partícula también estará dirigida en el sentido positivo del eje OX.Según la segunda ley de Newton, la aceleración de la partícula es a=F/m. Como la fuerza es constante y está dirigida en el eje OX, la aceleración también será constante y estará dirigida en el eje OX. Puesto que la partícula parte del reposo (v0=0), se moverá con un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado a lo largo de una línea paralela al eje OX, manteniendo su coordenada y inicial de 1 m. Por lo tanto, la trayectoria será una línea recta horizontal en y=1 m, moviéndose hacia la derecha.
b) ii) determine el trabajo realizado por el campo eléctrico sobre la partícula después de recorrer una distancia de 1 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 m en la misma dirección y sentido de la fuerza (es decir, a lo largo del eje OX), el trabajo es:
W = \vec{F} \cdot \Delta \vec{r} = F \cdot \Delta x \cdot \cos(0^\circ) = F \cdot \Delta x
Donde F=qE y Δx=1 m.
W=(qE)Δx=(2⋅10−6 C)(1000 N⋅C−1)(1 m)
W=2⋅10−3 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=Kf−Ki
La partícula parte del reposo, por lo tanto, su energía cinética inicial es Ki=0. La energía cinética final es Kf=21mvf2. Entonces: