b) Dos partículas con cargas q1=−2⋅10−6 C y q2=8⋅10−6 C están situadas en los puntos A(3,0) m y B(−3,0) m, respectivamente. Calcule: i) el punto, cerca de las dos cargas, donde se anula el campo eléctrico y ii) el potencial eléctrico en el punto P(0,0) m.
i) el punto, cerca de las dos cargas, donde se anula el campo eléctrico
Las cargas q1=−2⋅10−6 C y q2=8⋅10−6 C están situadas en los puntos A(3,0) m y B(−3,0) m, respectivamente. Para que el campo eléctrico se anule, los campos eléctricos generados por cada carga deben ser de igual magnitud y dirección opuesta.
Analizando las direcciones de los campos eléctricos en las distintas regiones:- Entre las cargas (−3<x<3): El campo de q1 (negativa) apunta hacia ella (eje +x). El campo de q2 (positiva) apunta alejándose de ella (eje +x). Ambos campos tienen la misma dirección, por lo que no se anularán.- A la izquierda de q2 (x<−3): El campo de q1 apunta hacia ella (eje +x). El campo de q2 apunta alejándose de ella (eje -x). Las direcciones son opuestas. Sin embargo, la magnitud de q2 es mayor que la de q1 (∣q2∣>∣q1∣). Para que los campos se anulen, el punto debe estar más cerca de la carga de menor magnitud. Por lo tanto, no se anulará en esta región.- A la derecha de q1 (x>3): El campo de q1 apunta hacia ella (eje -x). El campo de q2 apunta alejándose de ella (eje +x). Las direcciones son opuestas y el punto está más cerca de la carga de menor magnitud (q1). Por lo tanto, el campo puede anularse en esta región.Sea (x,0) el punto donde el campo eléctrico es nulo. Las distancias a las cargas son r1=∣x−3∣ y r2=∣x−(−3)∣=∣x+3∣. Como el punto está a la derecha de q1 (x>3), tenemos r1=x−3 y r2=x+3. Los módulos de los campos eléctricos deben ser iguales:
∣E1∣=∣E2∣
Kr12∣q1∣=Kr22∣q2∣
(x−3)2∣q1∣=(x+3)2∣q2∣
(x−3)22⋅10−6 C=(x+3)28⋅10−6 C
(x−3)21=(x+3)24
(x+3)2=4(x−3)2
±(x+3)=2(x−3)
Consideramos las dos posibles soluciones:Caso 1: x+3=2(x−3)
x+3=2x−6
9=x
Caso 2: −(x+3)=2(x−3)
−x−3=2x−6
3=3x
x=1
Dado que hemos determinado que el punto debe estar a la derecha de q1 (es decir, x>3), la solución válida es x=9 m. Por lo tanto, el punto donde se anula el campo eléctrico es (9,0) m.
ii) el potencial eléctrico en el punto P(0,0) m.
El potencial eléctrico en un punto debido a un conjunto de cargas puntuales es la suma escalar de los potenciales creados por cada carga individual. La fórmula para el potencial eléctrico debido a una carga puntual q a una distancia r es:
V=Krq
Calculamos las distancias de cada carga al punto P(0,0) m:Distancia de q1 (en A(3,0)) al punto P(0,0) es r1=(0−3)2+(0−0)2=(−3)2=3 m.Distancia de q2 (en B(−3,0)) al punto P(0,0) es r2=(0−(−3))2+(0−0)2=32=3 m.Calculamos el potencial debido a cada carga en el punto P:
V1=Kr1q1=(9⋅109 N⋅m2⋅C−2)3 m−2⋅10−6 C=−6⋅103 V
V2=Kr2q2=(9⋅109 N⋅m2⋅C−2)3 m8⋅10−6 C=24⋅103 V
El potencial eléctrico total en el punto P(0,0) m es la suma de V1 y V2: