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Campo eléctrico
Teoría
2022 · Ordinaria · Reserva
B1-a
Examen
a) Dos cargas positivas de valor qq y 4q4q se encuentran separadas una distancia dd. i) Explique, con ayuda de un esquema, si puede ser nulo el campo eléctrico en algún punto del segmento que las une. ii) En caso afirmativo, determine dicho punto en función de la distancia dd.
Interacción electromagnéticaCampo eléctricoCargas puntuales
a) i) El campo eléctrico en un punto del espacio debido a una carga puntual se calcula mediante la ley de Coulomb, y su dirección es radial, alejándose de la carga si esta es positiva y acercándose si es negativa.

Consideremos dos cargas positivas, q1=qq_1 = q y q2=4qq_2 = 4q, situadas en el eje x y separadas una distancia dd. Para que el campo eléctrico total sea nulo en algún punto, los campos eléctricos individuales creados por cada carga en ese punto deben tener la misma magnitud y direcciones opuestas.

XY+$q$+$4q$PE1E2

Si analizamos un punto P situado en el segmento que une ambas cargas (como se muestra en el esquema), el campo eléctrico E1\vec{E_1} creado por la carga qq tendrá una dirección que se aleja de qq (hacia la derecha). De manera similar, el campo eléctrico E2\vec{E_2} creado por la carga 4q4q tendrá una dirección que se aleja de 4q4q (hacia la izquierda).Dado que ambos campos eléctricos, E1\vec{E_1} y E2\vec{E_2}, tienen direcciones opuestas en cualquier punto entre las cargas, es posible que sus magnitudes se cancelen, dando un campo eléctrico total nulo. Por lo tanto, sí puede ser nulo el campo eléctrico en algún punto del segmento que las une.

a) ii) Para determinar dicho punto, sea PP un punto en el segmento entre las cargas. Ubiquemos la carga qq en el origen (x=0)(x=0) y la carga 4q4q en (x=d)(x=d). Sea xx la distancia desde la carga qq hasta el punto PP. Entonces, la distancia desde la carga 4q4q hasta PP será dxd-x.

El campo eléctrico generado por una carga puntual QQ a una distancia rr viene dado por la expresión:

E=kQr2E = k \frac{|Q|}{r^2}

Donde kk es la constante de Coulomb. Para que el campo eléctrico total sea nulo en el punto PP, las magnitudes de los campos eléctricos creados por cada carga deben ser iguales:

E1=E2|\vec{E_1}| = |\vec{E_2}|
kqx2=k4q(dx)2k \frac{q}{x^2} = k \frac{4q}{(d-x)^2}

Podemos simplificar la constante kk y la carga qq (ya que q0q \neq 0):

1x2=4(dx)2\frac{1}{x^2} = \frac{4}{(d-x)^2}

Tomamos la raíz cuadrada en ambos lados de la ecuación. Dado que estamos buscando un punto entre las cargas, xx debe ser positivo y dxd-x también debe ser positivo. Por lo tanto, no consideramos la raíz negativa aquí.

1x2=4(dx)2\sqrt{\frac{1}{x^2}} = \sqrt{\frac{4}{(d-x)^2}}
1x=2dx\frac{1}{x} = \frac{2}{d-x}

Ahora, resolvemos para xx:

dx=2xd-x = 2x
d=3xd = 3x
x=d3x = \frac{d}{3}

El punto donde el campo eléctrico total es nulo se encuentra a una distancia de d/3d/3 desde la carga qq (y, consecuentemente, a una distancia de dd/3=2d/3d - d/3 = 2d/3 desde la carga 4q4q). Este punto se encuentra efectivamente entre las dos cargas, ya que 0<d/3<d0 < d/3 < d.