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Campo eléctrico
Teoría
2017 · Extraordinaria · Titular
2B-a
Examen
a) Explique cómo se define el campo eléctrico creado por una carga puntual y razone cuál es el valor del campo eléctrico en el punto medio entre dos cargas de valores qq y 2q-2q.
Carga puntualCampo eléctricoSuperposición
a) Definición del campo eléctrico creado por una carga puntual

El campo eléctrico E\vec{E} en un punto del espacio se define como la fuerza eléctrica que experimentaría una carga de prueba positiva q0q_0 colocada en ese punto, dividida entre el valor de dicha carga:

E=Fq0\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0}

Para una carga puntual QQ situada en el origen, el campo eléctrico que crea en un punto a distancia rr es:

E=kQr2r^\vec{E} = k \frac{Q}{r^2}\,\hat{r}

donde k=9×109 N⋅m2/C2k = 9 \times 10^9 \text{ N·m}^2\text{/C}^2 es la constante de Coulomb y r^\hat{r} es el vector unitario que apunta desde la carga fuente hasta el punto considerado. El campo apunta hacia afuera si Q>0Q > 0 y hacia la carga si Q<0Q < 0.

Campo eléctrico en el punto medio entre las cargas $q$ y $-2q$

Situamos las cargas separadas una distancia dd. El punto medio MM se encuentra a una distancia r=d/2r = d/2 de cada carga.

XY++q--2qME1E2E_neta

Calculamos el campo en MM debido a cada carga por separado, llamando positivo el sentido de izquierda a derecha (de qq hacia 2q-2q):Campo en MM debido a +q+q: como la carga es positiva, el campo apunta alejándose de ella, es decir, hacia la derecha (++):

E1=kq(d/2)2=4kqd2(hacia la derecha, sentido +)E_1 = k\frac{q}{(d/2)^2} = \frac{4kq}{d^2} \quad \text{(hacia la derecha, sentido } +\text{)}

Campo en MM debido a 2q-2q: como la carga es negativa, el campo apunta hacia ella, es decir, también hacia la derecha (++):

E2=k2q(d/2)2=8kqd2(hacia la derecha, sentido +)E_2 = k\frac{2q}{(d/2)^2} = \frac{8kq}{d^2} \quad \text{(hacia la derecha, sentido } +\text{)}

Ambos campos apuntan en el mismo sentido (hacia la derecha, desde +q+q hacia 2q-2q), por lo que se suman:

Etotal=E1+E2=4kqd2+8kqd2=12kqd2E_{total} = E_1 + E_2 = \frac{4kq}{d^2} + \frac{8kq}{d^2} = \frac{12kq}{d^2}

El campo eléctrico resultante en el punto medio tiene módulo 12kqd2\dfrac{12kq}{d^2} y su dirección es la línea que une ambas cargas, apuntando desde la carga positiva +q+q hacia la carga negativa 2q-2q.