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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=9⋅109 N⋅m2⋅C−2K = 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=9⋅10−9 Cq_1 = q_2 = q = +9 \text{ nC} = 9 \cdot 10^{-9} \text{ C}
r⃗1=(−6,0) mm=(−6⋅10−3,0) m\vec{r}_1 = (-6, 0) \text{ mm} = (-6 \cdot 10^{-3}, 0) \text{ m}
r⃗2=(6,0) mm=(6⋅10−3,0) m\vec{r}_2 = (6, 0) \text{ mm} = (6 \cdot 10^{-3}, 0) \text{ m}
K=9⋅109 N⋅m2⋅C−2K = 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=∣r⃗1∣=6⋅10−3 mr_1 = |\vec{r}_1| = 6 \cdot 10^{-3} \text{ m}
r2=∣r⃗2∣=6⋅10−3 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⋅(9⋅109 N⋅m2⋅C−2)⋅9⋅10−9 C6⋅10−3 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=2⋅816⋅103 V=2⋅13.5⋅103 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 E⃗=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.

E⃗total=∑E⃗i=E⃗1+E⃗2\vec{E}_{total} = \sum \vec{E}_i = \vec{E}_1 + \vec{E}_2

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

r⃗1O=(0−(−6⋅10−3))i⃗=6⋅10−3i⃗ m\vec{r}_{1O} = (0 - (-6 \cdot 10^{-3})) \vec{i} = 6 \cdot 10^{-3} \vec{i} \text{ m}
r^1O=i⃗\hat{r}_{1O} = \vec{i}
E⃗1=Kq1r12r^1O=(9⋅109)9⋅10−9(6⋅10−3)2i⃗ 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}
E⃗1=8136⋅10−6i⃗=2.25⋅106i⃗ 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 (6⋅10−3,0)(6 \cdot 10^{-3}, 0) y el punto de interés en (0,0)(0,0):

r⃗2O=(0−6⋅10−3)i⃗=−6⋅10−3i⃗ m\vec{r}_{2O} = (0 - 6 \cdot 10^{-3}) \vec{i} = -6 \cdot 10^{-3} \vec{i} \text{ m}
r^2O=−i⃗\hat{r}_{2O} = -\vec{i}
E⃗2=Kq2r22r^2O=(9⋅109)9⋅10−9(6⋅10−3)2(−i⃗) 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}
E⃗2=−2.25⋅106i⃗ N/C\vec{E}_2 = -2.25 \cdot 10^6 \vec{i} \text{ N/C}

El campo eléctrico total en el origen es:

E⃗O=E⃗1+E⃗2=(2.25⋅106i⃗)+(−2.25⋅106i⃗)=0⃗ 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)−(−6⋅10−3))2+((3⋅10−3)−0)2=(6⋅10−3)2+(3⋅10−3)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=36⋅10−6+9⋅10−6=45⋅10−6=45⋅10−3 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⋅(9⋅109 N⋅m2⋅C−2)⋅9⋅10−9 C45⋅10−3 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=16245⋅103 V≈24150 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:

r⃗1P=(0−(−6⋅10−3))i⃗+(3⋅10−3−0)j⃗=(6⋅10−3i⃗+3⋅10−3j⃗) 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=6⋅10−3i⃗+3⋅10−3j⃗45⋅10−3=645i⃗+345j⃗\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}
E⃗1=Kq1rP2r^1P=(9⋅109)9⋅10−9(45⋅10−3)2(645i⃗+345j⃗) 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}
E⃗1=8145⋅10−6(645i⃗+345j⃗)=1.8⋅106(645i⃗+345j⃗) 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:

r⃗2P=(0−6⋅10−3)i⃗+(3⋅10−3−0)j⃗=(−6⋅10−3i⃗+3⋅10−3j⃗) 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=−6⋅10−3i⃗+3⋅10−3j⃗45⋅10−3=−645i⃗+345j⃗\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}
E⃗2=Kq2rP2r^2P=(9⋅109)9⋅10−9(45⋅10−3)2(−645i⃗+345j⃗) 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}
E⃗2=1.8⋅106(−645i⃗+345j⃗) 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 E⃗1\vec{E}_1 y E⃗2\vec{E}_2:

E⃗P=E⃗1+E⃗2=1.8⋅106[(645i⃗+345j⃗)+(−645i⃗+345j⃗)]\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]
E⃗P=1.8⋅106[(645−645)i⃗+(345+345)j⃗]\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]
E⃗P=1.8⋅106[0⋅i⃗+645j⃗]=1.8⋅106⋅645j⃗ 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}
E⃗P=10.845⋅106j⃗ N/C\vec{E}_P = \frac{10.8}{\sqrt{45}} \cdot 10^6 \vec{j} \text{ N/C}
E⃗P≈1.61⋅106j⃗ N/C\vec{E}_P \approx 1.61 \cdot 10^6 \vec{j} \text{ N/C}