domingo, 11 de octubre de 2020

SOLUCIÓN EXAMEN CAMPO ELÉCTRICO OCTUBRE 2020

1.    Desde el techo cuelgan dos bolitas de masa “m”, de dos hilos de 4 metros de largo. Ambas con la misma carga, +4 µC, se repelen de forma que los hilos se desvían 5º de la vertical. ¿Qué masas tenían las bolas? No hace falta calcular la tensión, pero sí dibujar todas las fuerzas.  g=9’8m/s2; K=9·109Nm2/C2.


Reproducimos la situación física con ayuda del croquis en el que figuran las fuerzas que actúan sobre una de las dos masas cargadas. Sobre ella actúan tres fuerzas únicamente: El peso, la fuerza de repulsión electrostática, y la tensión. Esta última hay que descomponerla en Tx y Ty, para poder sumar vectorialmente las fuerzas y buscar que la resultante de la suma sea cero.

En el eje X, la condición de equilibrio obliga que la fuerza de repulsión eléctrica sea compensada con la componente de la tensión, por tanto:

                                               Tx=Fe=K·q2/d2 = 9·109Nm2C-2·(4·10-6C)2/(0.697m)2=0.296N

 

Conocida la componente Tx, podemos calcular la tensión:   Tx=T·sen(5)

 

En el eje Y, la componente Ty compensa la acción del peso: TY=mg. Calculamos la componente Y de la tensión por trigonometría, y despejando calculamos la masa:

                               Ty=Tx/tg(5)=3.38N

                               m=Ty/g=0.344 Kg

                         

 

2. Tres cargas de +4 mC, -3mC, -5 mC están situadas en los puntos de coordenadas (2,2), (0,5), (-4,+3) en unidades SI.

a)      Calcula el vector campo eléctrico en el punto (0,0) de coordenadas.

b)      Calcula el potencial eléctrico en el punto (0,0) y en el punto (10,10) (SI).

c)       Entre los puntos anteriores, calcula el trabajo realizado por el campo eléctrico para transportar una carga de + 2mC.

 

Situamos las cargas en un sistema de referencia, y dibujamos los vectores camp eléctrico creados por cada carga, para poder hacer esto último es necesario pensar en la fuerza que sufriría la unidad de carga positiva situada en el punto de interés, pues el camp eléctrico tendrá la misma dirección y sentido que esa hipotética fuerza.





Las distancias de cada carga al punto origen se calculan por medio del Teorema de Pitágoras, así por ejemplo d3=raiz(4^2+3^2)=5m

 Calculamos los módulos de los tres campos eléctricos, creados cada uno por una carga eléctrica distinta:

 E1=Kq1/d12=9·109Nm2C-2·(4·10-3C)/2.82 m2=4.5·106N/C

E2=Kq2/d22=9·109Nm2C-2·(3·10-3C)/52 m2=1.1·106N/C

E3=Kq3/d32=9·109Nm2C-2·(5·10-3C)/52 m2=1.8·106N/C

 Para poder sumar los campos eléctricos, debemos tener en cuenta que son vectores, y hay que sumarlos como tales. Vamos a proceder por medio de vectores unitarios que poseen la dirección del campo. Nos fijamos en el dibujo, necesitamos vectores unitarios en la dirección y sentido de los vectores campo dibujados de rojo.

Vector unitario “1”: Unimos el punto origen con la posición de la carga eléctrica “1”, el vector matemático es 2i+2j, pero como tenemos sentido opuesto, el vector que nos interesa es -2i-2j. Si a ese vector auxiliar lo dividimos por su módulo, tendremos un vector de módulo unidad y dirección y sentido deseado.



En el caso del potencial, en los puntos (0,0) y (10,10), las operaciones son más sencillas puesto que no se trata de sumar vectores, únicamente escalares. En el punto (0,0), las distancias las tenemos calculadas en el dibujo del apartado anterior, por tanto, calculamos el potencial creado por una carga, (para cada una de ellas), y sumamos:

 

V1=K·q1/d1=9·109Nm2C-2·4·103C/2.83m= + 12.7·106 Voltios.

V2=K·q2/d2=9·109Nm2C-2·(-3)·103C/5 m= - 5.4·106 Voltios.

V3=K·q3/d3=9·109Nm2C-2·(-5)·103C/5 m= - 9.0·106 Voltios.

 

Vtotal=V1+V2+V3=-1.7·106 Voltios.

 

Nótese que debemos tener en cuenta para calcular el potencial el signo de la carga eléctrica, a diferencia de antes con el campo eléctrico que teníamos que calcular el módulo de un vector, y el resultado había de ser positivo, y por tanto no se tenía en cuenta el signo de la carga.

 Para el punto (10,10) hacemos lo mismo, pero ahora las distancias han cambiado. Si en un sistema de referencia situamos las cargas y el punto implicado, y calculamos por Pitágoras las distancias correspondientes:

Procedemos como antes:

V’1=K·q1/d’1=9·109Nm2C-2·4·103C/11.3= + 3.18·106 Voltios.

V’2=K·q2/d’2=9·109Nm2C-2·(-3)·103C/11.2m= - 2.4·106 Voltios.

V’3=K·q3/d’3=9·109Nm2C-2·(-5)·103C/15.6 m= - 2.9·106 Voltios.

 

V’total=V1+V2+V3=-2.1·106 Voltios.

 

Para el último apartado, aplicamos la relación entre trabajo del campo eléctrico y carga transportada entre dos puntos, en nuestro caso (0,0) y (10,10), como inicial y final respectivamente.

 

W=-q·ΔV= - (+2·10-3C)·[(-2.9)-(-1.7)]·106 Voltios=-2400 Julios

 

1.       Una esfera de 25 cm está cargada a +500 V, y se pone en contacto con otra esfera de 10 cm que inicialmente estaba descargada. Cuando se alcanza el equilibrio se separan.

a.       ¿Qué carga tenía la primera esfera inicialmente?

b.      ¿Qué potenciales tiene cada esfera después de alcanzado el equilibrio?

c.       ¿Con qué carga se queda cada esfera tras el contacto eléctrico?

 

 

Una esfera cargada tiene el potencial siguiente: V1=KQ1 /R1 siendo R el radio, y Q la carga almacenada. Despejamos la carga y calculamos:

 

Q1=V1·R1/K=+500V·0.25 m/9·109 Nm2C-2=+13.89 ·10-9C

 

Cuando las dos esferas se pongan en contacto, la carga de la primera esfera se trasladará parcialmente hasta la esfera 2, hasta que los potenciales se igualen. Por tanto, cuando cese la transferencia de carga es porque los potenciales estarán en equilibrio, igualados. Marquemos como V’ los potenciales posteriores al contacto, y Q’ las cargas.

 

V1’ =V2

KQ1’/R1 = KQ2’/R2      Despejamos Q2’ = (R2/R1)·Q1’=(10cm/25cm)·Q’2=0.4·Q1

 

Aún así no podemos calcular las cargas, nos hace falta otra ecuación que se obtiene del principio de conservación de la carga: Q1=Q’1+Q’2=Q’1+0.4Q1’=1.4Q1

Despejamos ahora Q1’=Q1/1.4=9.92·10-9C

Q’2=0.4Q’1=4·10-9 C

 

Ahora podemos calcular el potencial de cualquiera de las dos esferas, porque son iguales:

 

V=KQ1’/R1=9·109 Nm2/C2 · 9.92·10-9C/0.25 m=+357 Voltios.

 

2.       Dibuja las líneas del campo eléctrico alrededor de, una carga eléctrica positiva de q Culombios.

Una carga eléctrica negativa de carga 2q Culombios.


Las cargas positivas se comportan como fuentes del campo, emergiendo las líneas de ellas. Al tener el doble de carga una de otra, dibujamos el doble de líneas.

 

Dada las siguientes líneas equipotenciales, supongamos un electrón que pueda estar en los puntos A, B ó C. Si partimos de B en reposo, explica si el electrón se moverá a A o C por la acción del campo eléctrico, adquiriendo velocidad.



                       Al ser una carga negativa, el campo eléctrico la impulsará hacia valores más altos de potencial en una escala de números reales. Por tanto, se desplazaría hacia “C” y como consecuencia la diferencia de potencial sería positiva, 0V-(-10V))=+10V, y al ser una carga negativa el trabajo sería positivo, lo que se reflejaría en un aumento de energía cinética, y por tanto de velocidad.

                                               W=-q·ΔV                                  






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