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Campo eléctrico
Problema
2018 · Ordinaria · Titular
2A-b
Examen

Dos cargas puntuales q1=5106 Cq_1 = 5 \cdot 10^{-6} \text{ C} y q2=5106 Cq_2 = -5 \cdot 10^{-6} \text{ C} están situadas en los puntos A(0,0) mA (0,0) \text{ m} y B(2,0) mB (2,0) \text{ m} respectivamente.

b) Calcule el valor del campo eléctrico en el punto C(2,1) mC (2,1) \text{ m}.

Dato: K=9109 N m2 C2K = 9 \cdot 10^9 \text{ N m}^2 \text{ C}^{-2}

Principio de superposiciónCampo eléctrico
b) Campo eléctrico en el punto C(2,1)C(2,1) m
XY+q₁=+5·10⁻⁶ C, A(0,0)-q₂=−5·10⁻⁶ C, B(2,0)C(2,1)E1E2E_neta

El campo eléctrico total en C es la superposición vectorial de los campos creados por cada carga:

EC=E1+E2\vec{E}_C = \vec{E}_1 + \vec{E}_2
Distancias desde cada carga al punto C

Distancia de q1q_1 (en A) al punto C(2,1)(2,1):

r1=(20)2+(10)2=4+1=5 mr_1 = \sqrt{(2-0)^2 + (1-0)^2} = \sqrt{4+1} = \sqrt{5} \text{ m}

Distancia de q2q_2 (en B) al punto C(2,1)(2,1):

r2=(22)2+(10)2=0+1=1 mr_2 = \sqrt{(2-2)^2 + (1-0)^2} = \sqrt{0+1} = 1 \text{ m}
Campo eléctrico debido a $q_1$ en C

Módulo de E1\vec{E}_1:

E1=Kq1r12=910951065=9103 N/CE_1 = K \frac{|q_1|}{r_1^2} = 9\cdot10^9 \cdot \frac{5\cdot10^{-6}}{5} = 9\cdot10^3 \text{ N/C}

El vector unitario desde q1q_1 (en el origen) hacia C(2,1)(2,1) es:

r^1=(2,1)5=(25,15)\hat{r}_1 = \frac{(2,1)}{\sqrt{5}} = \left(\frac{2}{\sqrt{5}},\, \frac{1}{\sqrt{5}}\right)

Como q1>0q_1 > 0, el campo apunta en la dirección del vector unitario r^1\hat{r}_1:

E1=E1r^1=9000(25i^+15j^)\vec{E}_1 = E_1 \cdot \hat{r}_1 = 9000 \cdot \left(\frac{2}{\sqrt{5}}\,\hat{i} + \frac{1}{\sqrt{5}}\,\hat{j}\right)
E1=(180005i^+90005j^)(8049i^+4025j^) N/C\vec{E}_1 = \left(\frac{18000}{\sqrt{5}}\,\hat{i} + \frac{9000}{\sqrt{5}}\,\hat{j}\right) \approx (8049\,\hat{i} + 4025\,\hat{j}) \text{ N/C}
Campo eléctrico debido a $q_2$ en C

Módulo de E2\vec{E}_2:

E2=Kq2r22=9109510612=45000 N/CE_2 = K \frac{|q_2|}{r_2^2} = 9\cdot10^9 \cdot \frac{5\cdot10^{-6}}{1^2} = 45000 \text{ N/C}

El vector unitario desde q2q_2 (en B(2,0)(2,0)) hacia C(2,1)(2,1) es:

r^2=(0,1)1=(0,1)=j^\hat{r}_2 = \frac{(0,1)}{1} = (0,\,1) = \hat{j}

Como q2<0q_2 < 0, el campo apunta en sentido contrario al vector r^2\hat{r}_2 (hacia la carga, es decir, en j^-\hat{j}):

E2=E2j^=45000j^ N/C\vec{E}_2 = -E_2\,\hat{j} = -45000\,\hat{j} \text{ N/C}
Campo eléctrico total en C
EC=E1+E2=8049i^+(402545000)j^\vec{E}_C = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 = 8049\,\hat{i} + (4025 - 45000)\,\hat{j}
EC8049i^40975j^ N/C\vec{E}_C \approx 8049\,\hat{i} - 40975\,\hat{j} \text{ N/C}

Módulo del campo eléctrico resultante:

EC=(8049)2+(40975)2=64786401+409906251,057108E_C = \sqrt{(8049)^2 + (-40975)^2} = \sqrt{64786401 + 40990625} \approx \sqrt{1{,}057\cdot10^8}
EC41754 N/C4,18104 N/CE_C \approx 41\,754 \text{ N/C} \approx 4{,}18 \cdot 10^4 \text{ N/C}

Dirección respecto al eje positivo xx:

θ=arctan(409758049)78,9\theta = \arctan\left(\frac{-40975}{8049}\right) \approx -78{,}9^\circ

El campo eléctrico en C tiene un módulo de aproximadamente 4,181044{,}18 \cdot 10^4 N/C, con componente horizontal positiva (hacia la derecha) y componente vertical negativa (hacia abajo), formando un ángulo de unos 78,978{,}9^\circ bajo el eje xx positivo.