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2020 · Extraordinaria · Suplente
6-a
Examen
a) Responda razonadamente a las siguientes cuestiones: i) ¿Puede ser negativo el trabajo realizado por una fuerza eléctrica? ii) ¿Puede ser negativa la energía potencial eléctrica?
Trabajo eléctricoEnergía potencial
a) Responda razonadamente a las siguientes cuestiones:i) ¿Puede ser negativo el trabajo realizado por una fuerza eléctrica?

Sí, el trabajo realizado por una fuerza eléctrica puede ser negativo. El trabajo WW realizado por una fuerza F\vec{F} sobre una partícula que se desplaza Δr\Delta \vec{r} se define como W=FdrW = \int \vec{F} \cdot d\vec{r}. Para un desplazamiento finito o una fuerza constante, se puede aproximar como W=FΔr=FΔrcosθW = \vec{F} \cdot \Delta \vec{r} = |\vec{F}| |\Delta \vec{r}| \cos\theta, donde θ\theta es el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento.El trabajo es negativo si la fuerza eléctrica y el desplazamiento de la carga tienen componentes en direcciones opuestas (es decir, si el ángulo θ\theta está entre 9090^\circ y 270270^\circ). Esto ocurre, por ejemplo: - Cuando una carga positiva se mueve en contra de la dirección del campo eléctrico (o sea, hacia un potencial mayor). La fuerza eléctrica empuja en una dirección, pero la carga se mueve en la dirección opuesta. - Cuando intentamos acercar dos cargas del mismo signo, que se repelen. La fuerza eléctrica es repulsiva y actúa para separarlas, pero si las movemos una hacia la otra, la fuerza eléctrica realiza trabajo negativo. - Cuando intentamos separar dos cargas de distinto signo, que se atraen. La fuerza eléctrica es atractiva y actúa para unirlas, pero si las separamos, la fuerza eléctrica realiza trabajo negativo.

ii) ¿Puede ser negativa la energía potencial eléctrica?

Sí, la energía potencial eléctrica puede ser negativa. La energía potencial eléctrica UU entre dos cargas puntuales q1q_1 y q2q_2 separadas una distancia rr se define como:

U=kracq1q2rU = k rac{q_1 q_2}{r}

donde kk es la constante de Coulomb y se asume que la energía potencial es cero cuando las cargas están infinitamente separadas (rr \to \infty). El signo de la energía potencial eléctrica depende del signo del producto de las cargas q1q2q_1 q_2: - Si las cargas tienen el mismo signo (q1q2>0q_1 q_2 > 0), la energía potencial es positiva (U>0U > 0). Esto significa que se requiere trabajo externo para juntar estas cargas, ya que se repelen. La energía del sistema aumenta al acercarlas. - Si las cargas tienen signos opuestos (q1q2<0q_1 q_2 < 0), la energía potencial es negativa (U<0U < 0). Esto indica que las cargas se atraen y que el sistema está en un estado ligado. Cuanto más cerca estén las cargas, más negativa será la energía potencial, lo que significa que el sistema es más estable y tiene menos energía de la que tendría si estuvieran separadas infinitamente. Para separar estas cargas hasta el infinito, se requiere un trabajo positivo de una fuerza externa.