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Electrostática
Problema
2025 · Ordinaria · Titular
B3
Examen

Dos partículas situadas en los puntos (6,0) mm(-6, 0) \text{ mm} y (6,0) mm(6, 0) \text{ mm} del plano xyxy poseen cargas iguales de +9 nC+9 \text{ nC}. Obtenga el potencial eléctrico y el campo eléctrico en:

a) El origen de coordenadas.b) El punto (0,3) mm(0, 3) \text{ mm}.

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 eléctricoley de Coulomb

Datos:

q1=q2=q=+9 nC=9109 Cq_1 = q_2 = q = +9 \text{ nC} = 9 \cdot 10^{-9} \text{ C}
r1=(6,0) mm=(6103,0) m\vec{r}_1 = (-6, 0) \text{ mm} = (-6 \cdot 10^{-3}, 0) \text{ m}
r2=(6,0) mm=(6103,0) m\vec{r}_2 = (6, 0) \text{ mm} = (6 \cdot 10^{-3}, 0) \text{ m}
K=9109 Nm2C2K = 9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}
a) El origen de coordenadas (0,0) m(0, 0) \text{ m}

El potencial eléctrico en un punto debido a una carga puntual se calcula con la fórmula V=KqrV = K \frac{q}{r}. Para un sistema de cargas, el potencial total es la suma algebraica de los potenciales individuales.

Vtotal=Vi=V1+V2V_{total} = \sum V_i = V_1 + V_2

La distancia de ambas cargas al origen es la misma:

r1=r1=6103 mr_1 = |\vec{r}_1| = 6 \cdot 10^{-3} \text{ m}
r2=r2=6103 mr_2 = |\vec{r}_2| = 6 \cdot 10^{-3} \text{ m}
VO=Kq1r1+Kq2r2=2KqrV_O = K \frac{q_1}{r_1} + K \frac{q_2}{r_2} = 2 K \frac{q}{r}
VO=2(9109 Nm2C2)9109 C6103 mV_O = 2 \cdot (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}) \cdot \frac{9 \cdot 10^{-9} \text{ C}}{6 \cdot 10^{-3} \text{ m}}
VO=2816103 V=213.5103 V=27000 VV_O = 2 \cdot \frac{81}{6} \cdot 10^3 \text{ V} = 2 \cdot 13.5 \cdot 10^3 \text{ V} = 27000 \text{ V}

El campo eléctrico en un punto debido a una carga puntual se calcula con la fórmula E=Kqr2r^\vec{E} = K \frac{q}{r^2} \hat{r}, donde r^\hat{r} es el vector unitario que apunta desde la carga hacia el punto de interés. Para un sistema de cargas, el campo eléctrico total es la suma vectorial de los campos individuales.

Etotal=Ei=E1+E2\vec{E}_{total} = \sum \vec{E}_i = \vec{E}_1 + \vec{E}_2

Para q1q_1 en (6103,0)(-6 \cdot 10^{-3}, 0) y el punto de interés en (0,0)(0,0):

r1O=(0(6103))i=6103i m\vec{r}_{1O} = (0 - (-6 \cdot 10^{-3})) \vec{i} = 6 \cdot 10^{-3} \vec{i} \text{ m}
r^1O=i\hat{r}_{1O} = \vec{i}
E1=Kq1r12r^1O=(9109)9109(6103)2i N/C\vec{E}_1 = K \frac{q_1}{r_1^2} \hat{r}_{1O} = (9 \cdot 10^9) \frac{9 \cdot 10^{-9}}{(6 \cdot 10^{-3})^2} \vec{i} \text{ N/C}
E1=8136106i=2.25106i N/C\vec{E}_1 = \frac{81}{36 \cdot 10^{-6}} \vec{i} = 2.25 \cdot 10^6 \vec{i} \text{ N/C}

Para q2q_2 en (6103,0)(6 \cdot 10^{-3}, 0) y el punto de interés en (0,0)(0,0):

r2O=(06103)i=6103i m\vec{r}_{2O} = (0 - 6 \cdot 10^{-3}) \vec{i} = -6 \cdot 10^{-3} \vec{i} \text{ m}
r^2O=i\hat{r}_{2O} = -\vec{i}
E2=Kq2r22r^2O=(9109)9109(6103)2(i) N/C\vec{E}_2 = K \frac{q_2}{r_2^2} \hat{r}_{2O} = (9 \cdot 10^9) \frac{9 \cdot 10^{-9}}{(6 \cdot 10^{-3})^2} (-\vec{i}) \text{ N/C}
E2=2.25106i N/C\vec{E}_2 = -2.25 \cdot 10^6 \vec{i} \text{ N/C}

El campo eléctrico total en el origen es:

EO=E1+E2=(2.25106i)+(2.25106i)=0 N/C\vec{E}_O = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 = (2.25 \cdot 10^6 \vec{i}) + (-2.25 \cdot 10^6 \vec{i}) = \vec{0} \text{ N/C}
b) El punto (0,3) mm(0, 3) \text{ mm}

Las cargas q1q_1 y q2q_2 están en (6,0)(-6,0) y (6,0)(6,0) mm, respectivamente. El punto de interés PP es (0,3)(0,3) mm.La distancia de ambas cargas al punto P es la misma, por simetría:

rP=((0)(6103))2+((3103)0)2=(6103)2+(3103)2 mr_P = \sqrt{((0) - (-6 \cdot 10^{-3}))^2 + ((3 \cdot 10^{-3}) - 0)^2} = \sqrt{(6 \cdot 10^{-3})^2 + (3 \cdot 10^{-3})^2} \text{ m}
rP=36106+9106=45106=45103 mr_P = \sqrt{36 \cdot 10^{-6} + 9 \cdot 10^{-6}} = \sqrt{45 \cdot 10^{-6}} = \sqrt{45} \cdot 10^{-3} \text{ m}

El potencial eléctrico en el punto P es:

VP=Kq1rP+Kq2rP=2KqrPV_P = K \frac{q_1}{r_P} + K \frac{q_2}{r_P} = 2 K \frac{q}{r_P}
VP=2(9109 Nm2C2)9109 C45103 mV_P = 2 \cdot (9 \cdot 10^9 \text{ N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}) \cdot \frac{9 \cdot 10^{-9} \text{ C}}{\sqrt{45} \cdot 10^{-3} \text{ m}}
VP=16245103 V24150 VV_P = \frac{162}{\sqrt{45}} \cdot 10^3 \text{ V} \approx 24150 \text{ V}

Para el campo eléctrico, necesitamos los vectores unitarios.

XY+q1+q2PE1E2E_neta

Vector desde q1q_1 a P:

r1P=(0(6103))i+(31030)j=(6103i+3103j) m\vec{r}_{1P} = (0 - (-6 \cdot 10^{-3})) \vec{i} + (3 \cdot 10^{-3} - 0) \vec{j} = (6 \cdot 10^{-3} \vec{i} + 3 \cdot 10^{-3} \vec{j}) \text{ m}
r^1P=6103i+3103j45103=645i+345j\hat{r}_{1P} = \frac{6 \cdot 10^{-3} \vec{i} + 3 \cdot 10^{-3} \vec{j}}{\sqrt{45} \cdot 10^{-3}} = \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j}
E1=Kq1rP2r^1P=(9109)9109(45103)2(645i+345j) N/C\vec{E}_1 = K \frac{q_1}{r_P^2} \hat{r}_{1P} = (9 \cdot 10^9) \frac{9 \cdot 10^{-9}}{(\sqrt{45} \cdot 10^{-3})^2} \left( \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) \text{ N/C}
E1=8145106(645i+345j)=1.8106(645i+345j) N/C\vec{E}_1 = \frac{81}{45 \cdot 10^{-6}} \left( \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) = 1.8 \cdot 10^6 \left( \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) \text{ N/C}

Vector desde q2q_2 a P:

r2P=(06103)i+(31030)j=(6103i+3103j) m\vec{r}_{2P} = (0 - 6 \cdot 10^{-3}) \vec{i} + (3 \cdot 10^{-3} - 0) \vec{j} = (-6 \cdot 10^{-3} \vec{i} + 3 \cdot 10^{-3} \vec{j}) \text{ m}
r^2P=6103i+3103j45103=645i+345j\hat{r}_{2P} = \frac{-6 \cdot 10^{-3} \vec{i} + 3 \cdot 10^{-3} \vec{j}}{\sqrt{45} \cdot 10^{-3}} = -\frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j}
E2=Kq2rP2r^2P=(9109)9109(45103)2(645i+345j) N/C\vec{E}_2 = K \frac{q_2}{r_P^2} \hat{r}_{2P} = (9 \cdot 10^9) \frac{9 \cdot 10^{-9}}{(\sqrt{45} \cdot 10^{-3})^2} \left( -\frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) \text{ N/C}
E2=1.8106(645i+345j) N/C\vec{E}_2 = 1.8 \cdot 10^6 \left( -\frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) \text{ N/C}

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

EP=E1+E2=1.8106[(645i+345j)+(645i+345j)]\vec{E}_P = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 = 1.8 \cdot 10^6 \left[ \left( \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) + \left( -\frac{6}{\sqrt{45}} \vec{i} + \frac{3}{\sqrt{45}} \vec{j} \right) \right]
EP=1.8106[(645645)i+(345+345)j]\vec{E}_P = 1.8 \cdot 10^6 \left[ \left( \frac{6}{\sqrt{45}} - \frac{6}{\sqrt{45}} \right) \vec{i} + \left( \frac{3}{\sqrt{45}} + \frac{3}{\sqrt{45}} \right) \vec{j} \right]
EP=1.8106[0i+645j]=1.8106645j N/C\vec{E}_P = 1.8 \cdot 10^6 \left[ 0 \cdot \vec{i} + \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{j} \right] = 1.8 \cdot 10^6 \cdot \frac{6}{\sqrt{45}} \vec{j} \text{ N/C}
EP=10.845106j N/C\vec{E}_P = \frac{10.8}{\sqrt{45}} \cdot 10^6 \vec{j} \text{ N/C}
EP1.61106j N/C\vec{E}_P \approx 1.61 \cdot 10^6 \vec{j} \text{ N/C}