b) Una partícula de carga Q, situada en el origen de coordenadas, O(0,0) m, crea en un punto A situado en el eje OX, un potencial VA=−120 V y un campo eléctrico EA=−80i N C−1. Dibuje un esquema del problema y calcule: i) El valor de la carga Q y la posición del punto A. ii) El trabajo necesario para llevar un electrón desde el punto A hasta un punto B de coordenadas (2,2) m.
b) Esquema del problema:i) Valor de la carga Q y posición del punto A.
El potencial y el campo eléctrico creados por una carga puntual Q a distancia r son:
VA=KrAQEA=KrA2Q
El campo eléctrico tiene componente EA=−80 N/C en la dirección i, lo que indica que el campo apunta en sentido negativo del eje OX (hacia la izquierda). El punto A está en el eje OX con xA>0, y el campo apunta hacia O, lo cual es consistente con una carga Q<0 (carga negativa en el origen).Dividiendo el potencial entre el campo (en módulo) se obtiene la posición de A:
EAVA=KQ/rA2KQ/rA=rA
Usando los módulos con sus signos (el campo en módulo es ∣EA∣=80 N/C y el potencial VA=−120 V):
rA=EA,xVA=−80−120=1,5 m
Por tanto, el punto A se encuentra en xA=1,5 m, es decir, A(1,5 ; 0) m.Ahora se calcula la carga Q usando la expresión del potencial:
VA=KrAQ⟹Q=KVA⋅rA=9⋅109(−120)(1,5)
Q=9⋅109−180=−2⋅10−8 C=−20 nC
Verificación con el campo: E=K∣Q∣/rA2=(9⋅109)(2⋅10−8)/(1,5)2=180/2,25=80 N/C ✓
ii) Trabajo necesario para llevar un electrón desde A hasta B(2, 2) m.
El trabajo realizado por el campo eléctrico para mover una carga q entre dos puntos es:
WA→B=q(VA−VB)
Primero se calcula la distancia rB desde el origen O hasta el punto B(2,2) m:
rB=22+22=8=22≈2,828 m
Se calcula el potencial en B:
VB=KrBQ=22(9⋅109)(−2⋅10−8)=22−180=2−90≈−63,64 V
La carga del electrón es q=−e=−1,6⋅10−19 C. El trabajo realizado por el campo para mover el electrón de A a B es:
WA→B=q(VA−VB)=(−1,6⋅10−19)(−120−(−290))
VA−VB=−120+290=−120+63,64=−56,36 V
WA→B=(−1,6⋅10−19)(−56,36)≈9,02⋅10−18 J
El trabajo realizado por el campo sobre el electrón al llevarlo de A a B es W≈9,02⋅10−18 J. Si se pide el trabajo externo necesario para moverlo (trabajo realizado contra el campo), este sería Wext=−W≈−9,02⋅10−18 J.