AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Campo electrostático
Problema
2021 · Extraordinaria · Reserva
B.2-b
Examen

Dos partículas con cargas q1=4106 Cq_1 = 4 \cdot 10^{-6} \text{ C} y q2=2106 Cq_2 = 2 \cdot 10^{-6} \text{ C} se encuentran situadas en los puntos (0,0) m(0,0) \text{ m} y (2,0) m(2,0) \text{ m}, respectivamente, del plano XYXY. Calcule de forma razonada:

i) El campo eléctrico en el punto (2,2) m(2,2) \text{ m}.ii) La fuerza a la que estaría sometida una tercera partícula con carga q3=3108 Cq_3 = 3 \cdot 10^{-8} \text{ C} situada en el punto (2,2) m(2,2) \text{ m}.

Dato: K=9109 Nm2C2K = 9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}

cargas puntualescampo eléctricofuerza eléctrica
i) El campo eléctrico en el punto (2,2) m(2,2) \text{ m}.

El campo eléctrico total en el punto P=(2,2) mP=(2,2) \text{ m} es la suma vectorial de los campos eléctricos producidos por cada carga en ese punto, E=E1+E2\vec{E} = \vec{E}_1 + \vec{E}_2. La expresión general del campo eléctrico creado por una carga puntual qq en una posición r\vec{r} es:

E=Kqr2u^r\vec{E} = K \frac{q}{r^2} \hat{u}_r

donde KK es la constante de Coulomb, rr es la distancia desde la carga al punto, y u^r\hat{u}_r es el vector unitario que apunta desde la carga al punto.

XY+$q_1$+$q_2$$P$E1E2E_neta

Cálculo del campo eléctrico E1\vec{E}_1 debido a q1q_1 en PP:La posición de la carga q1q_1 es r1=(0,0) m\vec{r}_1 = (0,0) \text{ m}. La posición del punto PP es rP=(2,2) m\vec{r}_P = (2,2) \text{ m}. El vector de posición desde q1q_1 hasta PP es:

r1P=rPr1=(20)i+(20)j=(2i+2j) m\vec{r}_{1P} = \vec{r}_P - \vec{r}_1 = (2-0)\vec{i} + (2-0)\vec{j} = (2\vec{i} + 2\vec{j}) \text{ m}

La magnitud de este vector es:

r1P=r1P=22+22=4+4=8=22 mr_{1P} = |\vec{r}_{1P}| = \sqrt{2^2 + 2^2} = \sqrt{4+4} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2} \text{ m}

El vector unitario es:

u^1P=r1Pr1P=2i+2j22=12i+12j=22i+22j\hat{u}_{1P} = \frac{\vec{r}_{1P}}{r_{1P}} = \frac{2\vec{i} + 2\vec{j}}{2\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}\vec{i} + \frac{1}{\sqrt{2}}\vec{j} = \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{i} + \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{j}

Sustituyendo en la fórmula del campo eléctrico:

E1=Kq1r1P2u^1P=(9109 Nm2C2)4106 C(22 m)2(22i+22j)\vec{E}_1 = K \frac{q_1}{r_{1P}^2} \hat{u}_{1P} = (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}) \frac{4 \cdot 10^{-6} \text{ C}}{(2\sqrt{2} \text{ m})^2} \left( \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{i} + \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{j} \right)
E1=(9109)41068(22i+22j)=4500(22i+22j) N/C\vec{E}_1 = (9 \cdot 10^9) \frac{4 \cdot 10^{-6}}{8} \left( \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{i} + \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{j} \right) = 4500 \left( \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{i} + \frac{\sqrt{2}}{2}\vec{j} \right) \text{ N/C}
E1=(22502i+22502j) N/C(3182i+3182j) N/C\vec{E}_1 = (2250\sqrt{2}\vec{i} + 2250\sqrt{2}\vec{j}) \text{ N/C} \approx (3182\vec{i} + 3182\vec{j}) \text{ N/C}

Cálculo del campo eléctrico E2\vec{E}_2 debido a q2q_2 en PP:La posición de la carga q2q_2 es r2=(2,0) m\vec{r}_2 = (2,0) \text{ m}. El vector de posición desde q2q_2 hasta PP es:

r2P=rPr2=(22)i+(20)j=(0i+2j)=2j m\vec{r}_{2P} = \vec{r}_P - \vec{r}_2 = (2-2)\vec{i} + (2-0)\vec{j} = (0\vec{i} + 2\vec{j}) = 2\vec{j} \text{ m}

La magnitud de este vector es:

r2P=r2P=02+22=2 mr_{2P} = |\vec{r}_{2P}| = \sqrt{0^2 + 2^2} = 2 \text{ m}

El vector unitario es:

u^2P=r2Pr2P=2j2=j\hat{u}_{2P} = \frac{\vec{r}_{2P}}{r_{2P}} = \frac{2\vec{j}}{2} = \vec{j}

Sustituyendo en la fórmula del campo eléctrico:

E2=Kq2r2P2u^2P=(9109 Nm2C2)2106 C(2 m)2(j)\vec{E}_2 = K \frac{q_2}{r_{2P}^2} \hat{u}_{2P} = (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}) \frac{2 \cdot 10^{-6} \text{ C}}{(2 \text{ m})^2} (\vec{j})
E2=(9109)21064(j)=4500j N/C\vec{E}_2 = (9 \cdot 10^9) \frac{2 \cdot 10^{-6}}{4} (\vec{j}) = 4500\vec{j} \text{ N/C}

El campo eléctrico total en el punto PP es la suma de E1\vec{E}_1 y E2\vec{E}_2:

E=E1+E2=(22502i+22502j)+(4500j)\vec{E} = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 = (2250\sqrt{2}\vec{i} + 2250\sqrt{2}\vec{j}) + (4500\vec{j})
E=22502i+(22502+4500)j N/C\vec{E} = 2250\sqrt{2}\vec{i} + (2250\sqrt{2} + 4500)\vec{j} \text{ N/C}

Calculando los valores numéricos:

225023181.98 N/C2250\sqrt{2} \approx 3181.98 \text{ N/C}
22502+45003181.98+4500=7681.98 N/C2250\sqrt{2} + 4500 \approx 3181.98 + 4500 = 7681.98 \text{ N/C}

Redondeando a tres cifras significativas, el campo eléctrico en el punto (2,2) m(2,2) \text{ m} es:

E(3.18103i+7.68103j) N/C\vec{E} \approx (3.18 \cdot 10^3 \vec{i} + 7.68 \cdot 10^3 \vec{j}) \text{ N/C}
ii) La fuerza a la que estaría sometida una tercera partícula con carga q3=3108 Cq_3 = 3 \cdot 10^{-8} \text{ C} situada en el punto (2,2) m(2,2) \text{ m}.

La fuerza F\vec{F} que experimenta una carga q3q_3 situada en un punto donde existe un campo eléctrico E\vec{E} viene dada por la expresión:

F=q3E\vec{F} = q_3 \vec{E}

Utilizando el valor del campo eléctrico calculado en el apartado anterior:

F=(3108 C)(22502i+(22502+4500)j) N/C\vec{F} = (3 \cdot 10^{-8} \text{ C}) \cdot (2250\sqrt{2}\vec{i} + (2250\sqrt{2} + 4500)\vec{j}) \text{ N/C}
F=(310822502)i+(3108(22502+4500))j\vec{F} = (3 \cdot 10^{-8} \cdot 2250\sqrt{2})\vec{i} + (3 \cdot 10^{-8} \cdot (2250\sqrt{2} + 4500))\vec{j}
F(31083181.98)i+(31087681.98)j N\vec{F} \approx (3 \cdot 10^{-8} \cdot 3181.98)\vec{i} + (3 \cdot 10^{-8} \cdot 7681.98)\vec{j} \text{ N}
F(9.5459105i+2.3046104j) N\vec{F} \approx (9.5459 \cdot 10^{-5}\vec{i} + 2.3046 \cdot 10^{-4}\vec{j}) \text{ N}

Redondeando a tres cifras significativas, la fuerza sobre la carga q3q_3 es:

F(9.55105i+2.30104j) N\vec{F} \approx (9.55 \cdot 10^{-5} \vec{i} + 2.30 \cdot 10^{-4} \vec{j}) \text{ N}