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Campo y potencial eléctrico
Problema
2022 · Ordinaria · Reserva
B1-b
Examen
b) Dos partículas con cargas q1=−2⋅10−6 Cq_1 = -2 \cdot 10^{-6} \text{ C} y q2=8⋅10−6 Cq_2 = 8 \cdot 10^{-6} \text{ C} están situadas en los puntos A(3,0) mA(3,0) \text{ m} y B(−3,0) mB(-3,0) \text{ 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) mP(0,0) \text{ m}.

Datos: K=9⋅109 N⋅m2⋅C−2K = 9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}

Interacción electromagnéticaCampo eléctricoPotencial eléctrico
i) el punto, cerca de las dos cargas, donde se anula el campo eléctrico

Las cargas q1=−2⋅10−6 Cq_1 = -2 \cdot 10^{-6} \text{ C} y q2=8⋅10−6 Cq_2 = 8 \cdot 10^{-6} \text{ C} están situadas en los puntos A(3,0) mA(3,0) \text{ m} y B(−3,0) mB(-3,0) \text{ m}, respectivamente. Para que el campo eléctrico se anule, los campos eléctricos generados por cada carga deben ser de igual magnitud y dirección opuesta.

XY-q_1 (3,0)+q_2 (-3,0)

Analizando las direcciones de los campos eléctricos en las distintas regiones:- Entre las cargas (−3<x<3-3 < x < 3): El campo de q1q_1 (negativa) apunta hacia ella (eje +x). El campo de q2q_2 (positiva) apunta alejándose de ella (eje +x). Ambos campos tienen la misma dirección, por lo que no se anularán.- A la izquierda de q2q_2 (x<−3x < -3): El campo de q1q_1 apunta hacia ella (eje +x). El campo de q2q_2 apunta alejándose de ella (eje -x). Las direcciones son opuestas. Sin embargo, la magnitud de q2q_2 es mayor que la de q1q_1 (∣q2∣>∣q1∣|q_2| > |q_1|). 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 q1q_1 (x>3x > 3): El campo de q1q_1 apunta hacia ella (eje -x). El campo de q2q_2 apunta alejándose de ella (eje +x). Las direcciones son opuestas y el punto está más cerca de la carga de menor magnitud (q1q_1). Por lo tanto, el campo puede anularse en esta región.Sea (x,0)(x,0) el punto donde el campo eléctrico es nulo. Las distancias a las cargas son r1=∣x−3∣r_1 = |x-3| y r2=∣x−(−3)∣=∣x+3∣r_2 = |x-(-3)| = |x+3|. Como el punto está a la derecha de q1q_1 (x>3x > 3), tenemos r1=x−3r_1 = x-3 y r2=x+3r_2 = x+3. Los módulos de los campos eléctricos deben ser iguales:

∣E1⃗∣=∣E2⃗∣|\vec{E_1}| = |\vec{E_2}|
K∣q1∣r12=K∣q2∣r22K \frac{|q_1|}{r_1^2} = K \frac{|q_2|}{r_2^2}
∣q1∣(x−3)2=∣q2∣(x+3)2\frac{|q_1|}{(x-3)^2} = \frac{|q_2|}{(x+3)^2}
2⋅10−6 C(x−3)2=8⋅10−6 C(x+3)2\frac{2 \cdot 10^{-6} \text{ C}}{(x-3)^2} = \frac{8 \cdot 10^{-6} \text{ C}}{(x+3)^2}
1(x−3)2=4(x+3)2\frac{1}{(x-3)^2} = \frac{4}{(x+3)^2}
(x+3)2=4(x−3)2(x+3)^2 = 4(x-3)^2
±(x+3)=2(x−3)\pm (x+3) = 2(x-3)

Consideramos las dos posibles soluciones:Caso 1: x+3=2(x−3)x+3 = 2(x-3)

x+3=2x−6x+3 = 2x-6
9=x9 = x

Caso 2: −(x+3)=2(x−3)-(x+3) = 2(x-3)

−x−3=2x−6-x-3 = 2x-6
3=3x3 = 3x
x=1x = 1

Dado que hemos determinado que el punto debe estar a la derecha de q1q_1 (es decir, x>3x > 3), la solución válida es x=9 mx = 9 \text{ m}. Por lo tanto, el punto donde se anula el campo eléctrico es (9,0) m(9,0) \text{ m}.

ii) el potencial eléctrico en el punto P(0,0) mP(0,0) \text{ 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 qq a una distancia rr es:

V=KqrV = K \frac{q}{r}

Calculamos las distancias de cada carga al punto P(0,0) mP(0,0) \text{ m}:Distancia de q1q_1 (en A(3,0)A(3,0)) al punto P(0,0)P(0,0) es r1=(0−3)2+(0−0)2=(−3)2=3 mr_1 = \sqrt{(0-3)^2 + (0-0)^2} = \sqrt{(-3)^2} = 3 \text{ m}.Distancia de q2q_2 (en B(−3,0)B(-3,0)) al punto P(0,0)P(0,0) es r2=(0−(−3))2+(0−0)2=32=3 mr_2 = \sqrt{(0-(-3))^2 + (0-0)^2} = \sqrt{3^2} = 3 \text{ m}.Calculamos el potencial debido a cada carga en el punto PP:

V1=Kq1r1=(9⋅109 N⋅m2⋅C−2)−2⋅10−6 C3 m=−6⋅103 VV_1 = K \frac{q_1}{r_1} = (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}) \frac{-2 \cdot 10^{-6} \text{ C}}{3 \text{ m}} = -6 \cdot 10^3 \text{ V}
V2=Kq2r2=(9⋅109 N⋅m2⋅C−2)8⋅10−6 C3 m=24⋅103 VV_2 = K \frac{q_2}{r_2} = (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}) \frac{8 \cdot 10^{-6} \text{ C}}{3 \text{ m}} = 24 \cdot 10^3 \text{ V}

El potencial eléctrico total en el punto P(0,0) mP(0,0) \text{ m} es la suma de V1V_1 y V2V_2:

VP=V1+V2=−6⋅103 V+24⋅103 V=18⋅103 V=18000 VV_P = V_1 + V_2 = -6 \cdot 10^3 \text{ V} + 24 \cdot 10^3 \text{ V} = 18 \cdot 10^3 \text{ V} = 18000 \text{ V}