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Electrostática
Problema
2023 · Extraordinaria · Titular
A3
Examen

Una carga situada en un punto del plano xyxy da lugar a un potencial de 54 V54 \text{ V} y a un campo eléctrico E=180j V/m\vec{E} = -180 \vec{j} \text{ V/m} en el origen de coordenadas.

a) Determine el valor de la carga y su posición.b) Se trae una segunda carga desde el infinito hasta el origen de coordenadas, proceso en el que la fuerza ejercida por la primera carga realiza un trabajo de 270 nJ-270 \text{ nJ}. Determine el valor de la segunda carga.

Dato: Constante de la ley de Coulomb, K=9109 Nm2C2K = 9 \cdot 10^{9} \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}.

potencial eléctricocampo eléctricocarga puntual+1
a) Determine el valor de la carga y su posición.

El potencial VV y el campo eléctrico E\vec{E} creados por una carga puntual q1q_1 a una distancia rr vienen dados por las expresiones:

V=Kq1rV = \frac{K q_1}{r}
E=Kq1r2r^\vec{E} = \frac{K q_1}{r^2} \hat{r}

donde r^\hat{r} es el vector unitario que va desde la carga hasta el punto donde se mide el campo. En este caso, el punto de medida es el origen (0,0)(0,0). Si la carga q1q_1 está en la posición (x1,y1)(x_1, y_1), el vector desde la carga al origen es rorigenrcarga=(0x1)i+(0y1)j=x1iy1j\vec{r}_{origen} - \vec{r}_{carga} = (0-x_1)\vec{i} + (0-y_1)\vec{j} = -x_1\vec{i} - y_1\vec{j}. La distancia es r=x12+y12r = \sqrt{x_1^2 + y_1^2}.El módulo del campo eléctrico EE y el potencial VV están relacionados por E=E=Kq1r2E = |\vec{E}| = \frac{K|q_1|}{r^2} y V=Kq1rV = \frac{Kq_1}{r}. Por lo tanto, podemos relacionarlos como:

E=1r(Kq1r)V=Kq1r\begin{gathered} E = \frac{1}{r} \left( \frac{K|q_1|}{r} \right) \\ |V| = \frac{K|q_1|}{r} \end{gathered}

Si la carga es positiva, V=Kq1rV = \frac{Kq_1}{r}, y la relación es E=VrE = \frac{V}{r}. Si la carga es negativa, V=Kq1r<0V = \frac{Kq_1}{r} < 0, y la relación es E=VrE = \frac{|V|}{r}. Dado que V=54 VV = 54 \text{ V} es positivo, la carga q1q_1 debe ser positiva. Entonces, podemos usar:

r=VEr = \frac{V}{E}

Sustituyendo los valores dados:

r=54 V180 V/m=0.3 mr = \frac{54 \text{ V}}{180 \text{ V/m}} = 0.3 \text{ m}

Ahora podemos calcular el valor de la carga q1q_1 utilizando la expresión del potencial:

q1=VrKq_1 = \frac{V \cdot r}{K}
q1=54 V0.3 m9109 Nm2C2=16.2 Vm9109 Nm2C2=1.8109 Cq_1 = \frac{54 \text{ V} \cdot 0.3 \text{ m}}{9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}} = \frac{16.2 \text{ V} \cdot \text{m}}{9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}} = 1.8 \cdot 10^{-9} \text{ C}

Por lo tanto, la carga es q1=1.8 nCq_1 = 1.8 \text{ nC}.Para determinar la posición de la carga q1q_1, consideramos la dirección del campo eléctrico en el origen: E=180j V/m\vec{E} = -180 \vec{j} \text{ V/m}. Esto indica que el campo apunta en la dirección negativa del eje yy. Como la carga q1q_1 es positiva, el campo eléctrico que crea apunta alejándose de ella.Para que el campo en el origen apunte en la dirección j-\vec{j}, la carga q1q_1 debe estar situada en el eje yy positivo, por encima del origen, es decir, en (0,y1)(0, y_1) con y1>0y_1 > 0. La distancia rr calculada es y1y_1.Así, la posición de la carga es (0,0.3 m)(0, 0.3 \text{ m}). El diagrama muestra la configuración.

XY+q_1OrigenE1
b) Se trae una segunda carga desde el infinito hasta el origen de coordenadas, proceso en el que la fuerza ejercida por la primera carga realiza un trabajo de 270 nJ-270 \text{ nJ}. Determine el valor de la segunda carga.

El trabajo WW realizado por la fuerza eléctrica al mover una carga q2q_2 desde el infinito (V=0V_\infty = 0) hasta un punto donde el potencial es VorigenV_{origen} viene dado por:

W=q2(VVorigen)W=q2(0Vorigen)=q2Vorigen\begin{gathered} W = q_2 (V_{\infty} - V_{\text{origen}}) \\ W = q_2 (0 - V_{\text{origen}}) = -q_2 V_{\text{origen}} \end{gathered}

Donde VorigenV_{\text{origen}} es el potencial creado por la carga q1q_1 en el origen, que ya conocemos (Vorigen=54 VV_{\text{origen}} = 54 \text{ V}). El trabajo realizado es W=270 nJ=270109 JW = -270 \text{ nJ} = -270 \cdot 10^{-9} \text{ J}.Despejamos el valor de la segunda carga q2q_2:

q2=WVorigenq_2 = -\frac{W}{V_{\text{origen}}}
q2=270109 J54 V=270109 J54 V=5109 Cq_2 = -\frac{-270 \cdot 10^{-9} \text{ J}}{54 \text{ V}} = \frac{270 \cdot 10^{-9} \text{ J}}{54 \text{ V}} = 5 \cdot 10^{-9} \text{ C}

Por lo tanto, la segunda carga es q2=5 nCq_2 = 5 \text{ nC}.