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Electrostática
Problema
2022 · Ordinaria · Titular
B3
Examen

Una carga puntual positiva está situada en el punto (3,4) m(3, 4) \text{ m} del plano xyxy. En otro punto del plano se coloca una segunda carga puntual, también positiva y de magnitud el cuádruple de la primera, haciendo que el campo se anule en el origen de coordenadas.

a) Determine la posición de la segunda carga.b) Si el potencial en el origen de coordenadas vale 1,08104 V1,08 \cdot 10^4 \text{ V}, encuentre el valor de las cargas.

Dato: Constante de la ley de Coulomb, K=9109 Nm2/C2K = 9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{C}^2.

Campo eléctricoPotencial eléctricoCargas puntuales
a) Determine la posición de la segunda carga.

Las cargas son positivas. Para que el campo eléctrico se anule en el origen de coordenadas, E1+E2=0\vec{E}_1 + \vec{E}_2 = 0, los campos generados por cada carga deben ser de igual magnitud y dirección opuesta. Dado que ambas cargas son positivas, sus campos en el origen apuntarán alejándose de ellas. Esto significa que las cargas deben estar situadas en lados opuestos del origen y sobre la misma línea que pasa por él.La carga q1q_1 está en P1=(3,4) mP_1 = (3, 4) \text{ m}. La distancia de q1q_1 al origen es:

r1=(3 m)2+(4 m)2=9+16 m=25 m=5 mr_1 = \sqrt{(3 \text{ m})^2 + (4 \text{ m})^2} = \sqrt{9 + 16} \text{ m} = \sqrt{25} \text{ m} = 5 \text{ m}

El vector de posición de q1q_1 es r1=3i^+4j^\vec{r}_1 = 3\hat{i} + 4\hat{j}. El vector desde q1q_1 hasta el origen es d1=0r1=3i^4j^\vec{d}_1 = \vec{0} - \vec{r}_1 = -3\hat{i} - 4\hat{j}. Como q1q_1 es positiva, el campo E1\vec{E}_1 en el origen apunta en la dirección de d1\vec{d}_1 (alejándose de q1q_1). Por lo tanto:

E1=Kq1r13(0r1)=Kq1r13(3i^4j^)\vec{E}_1 = K \frac{q_1}{r_1^3} (\vec{0} - \vec{r}_1) = K \frac{q_1}{r_1^3} (-3\hat{i} - 4\hat{j})

Para que el campo total en el origen sea cero, el campo E2\vec{E}_2 debe ser opuesto a E1\vec{E}_1:

E2=E1=Kq1r13(3i^+4j^)\vec{E}_2 = -\vec{E}_1 = K \frac{q_1}{r_1^3} (3\hat{i} + 4\hat{j})

La carga q2q_2 también es positiva, por lo que su campo E2\vec{E}_2 en el origen debe apuntar alejándose de q2q_2. Si E2\vec{E}_2 apunta en la dirección (3i^+4j^)(3\hat{i} + 4\hat{j}), entonces q2q_2 debe estar situada en la dirección opuesta, es decir, su vector de posición r2\vec{r}_2 debe ser de la forma r2=λ(3i^4j^)\vec{r}_2 = \lambda (-3\hat{i} - 4\hat{j}) para alguna constante λ>0\lambda > 0. Por lo tanto, q2q_2 se encuentra en la misma línea que q1q_1 y el origen, pero al lado opuesto del origen.

E2=Kq2r23(0r2)=Kq2r23(r2)\vec{E}_2 = K \frac{q_2}{r_2^3} (\vec{0} - \vec{r}_2) = K \frac{q_2}{r_2^3} (-\vec{r}_2)

Igualando las expresiones para E2\vec{E}_2 y sabiendo que q2=4q1q_2 = 4q_1:

K4q1r23(r2)=Kq1r13(3i^+4j^)K \frac{4q_1}{r_2^3} (-\vec{r}_2) = K \frac{q_1}{r_1^3} (3\hat{i} + 4\hat{j})

Cancelando Kq1Kq_1 y sustituyendo r2=λ(3i^4j^)\vec{r}_2 = \lambda (-3\hat{i} - 4\hat{j}) y r2=r2=λ(3i^4j^)=5λr_2 = |\vec{r}_2| = \lambda |(-3\hat{i} - 4\hat{j})| = 5\lambda, y r1=5 mr_1 = 5 \text{ m}:

\frac{4}{(5\lambda)^3} (-\lambda (-3\hat{i} - 4\hat{j})) = \frac{1}{5^3} (3\hat{i} + 4\hat{j})
4λ125λ3(3i^+4j^)=1125(3i^+4j^)\frac{4\lambda}{125\lambda^3} (3\hat{i} + 4\hat{j}) = \frac{1}{125} (3\hat{i} + 4\hat{j})
4125λ2=1125\frac{4}{125\lambda^2} = \frac{1}{125}
4=λ2    λ=24 = \lambda^2 \implies \lambda = 2

Por lo tanto, la posición de la segunda carga q2q_2 es:

r2=2(3i^4j^)=6i^8j^ m\vec{r}_2 = 2 (-3\hat{i} - 4\hat{j}) = -6\hat{i} - 8\hat{j} \text{ m}

Así, la posición de la segunda carga es (6,8) m(-6, -8) \text{ m}. Su distancia al origen es r2=(6)2+(8)2=36+64=10 mr_2 = \sqrt{(-6)^2 + (-8)^2} = \sqrt{36+64} = 10 \text{ m}.

XY+$q_1$+$q_2$OE1E2
b) Si el potencial en el origen de coordenadas vale 1,08104 V1,08 \cdot 10^4 \text{ V}, encuentre el valor de las cargas.

El potencial eléctrico en el origen es la suma escalar de los potenciales creados por cada carga:

VO=Kq1r1+Kq2r2V_O = K \frac{q_1}{r_1} + K \frac{q_2}{r_2}

Sustituimos los valores conocidos: VO=1,08104 VV_O = 1,08 \cdot 10^4 \text{ V}, K=9109 Nm2/C2K = 9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{C}^2, r1=5 mr_1 = 5 \text{ m}, r2=10 mr_2 = 10 \text{ m} y q2=4q1q_2 = 4q_1.

1,08104 V=(9109 Nm2/C2)(q15 m+4q110 m)1,08 \cdot 10^4 \text{ V} = (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 / \text{C}^2) \left( \frac{q_1}{5 \text{ m}} + \frac{4q_1}{10 \text{ m}} \right)
1,08104=9109q1(15+410)1,08 \cdot 10^4 = 9 \cdot 10^9 q_1 \left( \frac{1}{5} + \frac{4}{10} \right)
1,08104=9109q1(15+25)1,08 \cdot 10^4 = 9 \cdot 10^9 q_1 \left( \frac{1}{5} + \frac{2}{5} \right)
1,08104=9109q1(35)1,08 \cdot 10^4 = 9 \cdot 10^9 q_1 \left( \frac{3}{5} \right)
1,08104=275109q11,08 \cdot 10^4 = \frac{27}{5} \cdot 10^9 q_1

Despejamos q1q_1:

q1=1,08104527109 Cq_1 = \frac{1,08 \cdot 10^4 \cdot 5}{27 \cdot 10^9} \text{ C}
q1=5,410427109 Cq_1 = \frac{5,4 \cdot 10^4}{27 \cdot 10^9} \text{ C}
q1=0,2105 C=2106 Cq_1 = 0,2 \cdot 10^{-5} \text{ C} = 2 \cdot 10^{-6} \text{ C}

Ahora calculamos q2q_2:

q2=4q1=4(2106 C)=8106 Cq_2 = 4q_1 = 4 \cdot (2 \cdot 10^{-6} \text{ C}) = 8 \cdot 10^{-6} \text{ C}

Los valores de las cargas son q1=2106 Cq_1 = 2 \cdot 10^{-6} \text{ C} y q2=8106 Cq_2 = 8 \cdot 10^{-6} \text{ C}.