Física, Marlu Educativa, PAU y EBAU

Campo eléctrico 2 Bachillerato PAU/EBAU: fuerza, intensidad, potencial y ejercicios resueltos

Campo eléctrico de 2.º de Bachillerato con cargas, líneas de campo, fuerzas eléctricas y superficies equipotenciales

Campo eléctrico · 2.º Bachillerato y PAU/EBAU | Marlu Educativa
Cuaderno monográfico de campo eléctricoBiblioteca Marlu Educativa

Física · 2.º de Bachillerato · PAU/EBAU

Campo eléctrico: del dibujo al resultado

Si el dibujo está bien, la cuenta suele ordenarse sola. Este cuaderno enseña a decidir qué vector sumar, cuándo trabajar con potencial y cuándo la simetría permite usar la ley de Gauss. Incluye 75 problemas resueltos, 82 dibujos, 10 propuestos y un simulacro final.

75 problemasresueltos y comprobados82 dibujosgeometría y sentidos10 propuestoscon resultadosPAU/EBAUmétodo y simulacro
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En campo eléctrico, el tropiezo casi nunca está en la calculadora. Suele aparecer antes: una distancia mal medida, un vector dibujado al revés o un signo trasladado sin pensar.

El cuaderno comparativo de campos ayuda a escoger modelo cuando todavía se confunden gravitación, electricidad y magnetismo. Aquí nos quedamos solo con el caso eléctrico y avanzamos desde cargas puntuales hasta potencial, energía, placas, conductores, flujo y ley de Gauss.

Al principio se muestran todos los pasos. Más adelante se abrevia la aritmética que ya está entrenada y se dedica el espacio a la decisión nueva: la simetría, la energía o el convenio de signos.

Resumen del tema

Fuerza

Dos cargas puntuales interactúan según \(F=k|q_1q_2|/r^2\). El signo de las cargas decide si se atraen o se repelen.

Campo

El campo es fuerza por unidad de carga positiva de prueba. Es vectorial y se suma por componentes.

Potencial

El potencial es escalar. Para una carga puntual, \(V=kQ/r\), con el signo de la carga fuente.

Energía y trabajo

La energía potencial cumple \(U=qV\) y el trabajo del campo es \(W_e=-\Delta U\).

Flujo

Relaciona un campo con una superficie orientada. El ángulo siempre se mide respecto a la normal.

Ley de Gauss

Conecta el flujo de una superficie cerrada con la carga neta que queda dentro.

Fuerza y campo contienen dirección y sentido. Potencial y energía potencial no. Esta diferencia determina el método de casi todos los problemas.

Constantes y unidades

Magnitud Símbolo Valor Unidad
Constante eléctrica \(k\) \(8{,}99\cdot10^9\) \(\mathrm{N\,m^2/C^2}\)
Permitividad del vacío \(\varepsilon_0\) \(8{,}854\cdot10^{-12}\) \(\mathrm{C^2/(N\,m^2)}\)
Carga elemental \(e\) \(1{,}602\cdot10^{-19}\) C
Masa del electrón \(m_e\) \(9{,}109\cdot10^{-31}\) kg
Masa del protón \(m_p\) \(1{,}673\cdot10^{-27}\) kg
Campo eléctrico \(E\) 1 N/C 1 V/m

Convierte microculombios y nanoculombios a culombios antes de sustituir. Las distancias deben estar en metros.

Ley de Coulomb

\[F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^2}\]

La fórmula proporciona el módulo. La dirección está en la recta que une las cargas y el sentido depende de sus signos.

+q₁ +q₂ r F₁ F₂ Ejemplo de interacción repulsiva
La fuerza eléctrica actúa sobre la recta que une las cargas. El esquema representa dos cargas del mismo signo; con signos contrarios, las fuerzas apuntarían una hacia la otra.

Campo eléctrico

\[\vec E=\dfrac{\vec F}{q},\qquad \vec E=k\dfrac{Q}{r^2}\,\hat r\]

El campo se define con una carga positiva de prueba. Sale de una carga positiva y entra hacia una carga negativa.

+Q
Las líneas de campo salen de las cargas positivas y entran en las negativas. El vector campo es tangente a cada línea.

Principio de superposición

\[\vec E_T=\sum_i\vec E_i,\qquad \vec F_T=q\vec E_T\]

En una recta pueden utilizarse signos. En el plano, lo más seguro es calcular componentes cartesianas.

Eₓ Eᵧ E
En el plano, cada contribución se descompone en componentes antes de sumar. El ángulo se calcula después de fijar los signos.

Flujo eléctrico y ley de Gauss

El flujo mide cómo atraviesa el campo una superficie. El ángulo se toma con la normal, no con el plano: una superficie perpendicular al campo recibe flujo máximo; una superficie paralela, flujo nulo.

Superficie abierta

\[\Phi_E=\int \vec E\cdot d\vec S\]

Si el campo es uniforme y la superficie plana, \(\Phi_E=EA\cos\theta\).

Superficie cerrada

\[\oint \vec E\cdot d\vec S=\dfrac{Q_{int}}{\varepsilon_0}\]

Solo cuenta la carga encerrada. Las cargas exteriores pueden alterar el campo local, pero no el flujo neto.

Cuándo simplifica el cálculo

Es especialmente útil con simetría esférica, cilíndrica o plana, porque el módulo de E puede salir de la integral.

Cuándo conviene otro camino

Con unas pocas cargas puntuales y geometría irregular suele ser más limpio sumar campos por componentes.

La ley de Gauss siempre se cumple. Lo que exige simetría no es la ley, sino usarla para despejar el campo de forma directa.

Líneas de campo y superficies equipotenciales

Las líneas de campo no se cortan y el vector campo es tangente a ellas. Las superficies equipotenciales son perpendiculares al campo.

+Q -Q V = 0 El campo va de +Q hacia -Q
En el plano medio de un dipolo el potencial se anula, pero el campo no. Las líneas de campo se orientan desde la carga positiva hacia la negativa.

Potencial y energía potencial

\[V=k\sum_i\dfrac{Q_i}{r_i},\qquad U=qV=k\dfrac{q_1q_2}{r}\]

El potencial es escalar. El signo de la energía potencial depende del producto de las cargas.

Trabajo y conservación de la energía

\[W_e=q(V_A-V_B)=-\Delta U\]
\[K_A+U_A=K_B+U_B\]

El campo electrostático es conservativo. El trabajo depende de los extremos y no del camino.

Campo uniforme y placas paralelas

\[E=\dfrac{|\Delta V|}{d},\qquad \vec F=q\vec E,\qquad \vec a=\dfrac{q\vec E}{m}\]

Entre placas ideales, el campo se considera constante. Una partícula que entra perpendicularmente al campo describe una trayectoria parabólica.

+ - q v₀
Entre placas ideales el campo es aproximadamente uniforme y apunta de la placa positiva a la negativa. La fuerza vale qE y cambia de sentido con el signo de la carga.

Conductores en equilibrio electrostático

En el interior del material conductor, el campo es nulo. Toda la superficie está al mismo potencial y el exceso de carga se distribuye en la superficie.

Q R Exterior: E = kQ/r² Conductor: E = 0 Potencial interior constante
En un conductor en equilibrio, el campo en el material conductor es nulo y todo el conductor está al mismo potencial.

Gráficas de campo y potencial

Para una carga puntual, el módulo del campo varía como \(1/r^2\) y el potencial como \(1/r\). El campo es el opuesto del gradiente del potencial.

x E, V E ∝ 1/r² V ∝ 1/r
Para una carga positiva, tanto E como V disminuyen al aumentar la distancia. El campo decrece más deprisa porque depende de 1/r².

Método para resolver problemas

  1. Dibuja las cargas, los puntos y las distancias.
  2. Convierte todas las unidades al Sistema Internacional.
  3. Decide si se pide una magnitud vectorial o escalar.
  4. Fija ejes y sentidos positivos si hay vectores.
  5. Calcula cada contribución por separado.
  6. Si la carga forma una distribución continua con simetría suficiente, valora la ley de Gauss antes de integrar o sumar.
  7. Suma campos o fuerzas por componentes y potenciales con signo.
  8. En movimiento de cargas, conecta electricidad con dinámica, cinemática o energía.
  9. Revisa signo, unidad, dirección y orden de magnitud.

75 ejercicios resueltos paso a paso

La colección avanza desde la ley de Coulomb hasta el flujo, la ley de Gauss y los problemas completos de campo, potencial, energía, placas, conductores y movimiento de partículas. Todos los modelos y sus dibujos son de elaboración propia.

Bloque 1. Ley de Coulomb y fuerza eléctrica

1

Fuerza entre dos cargas positivas

Pregunta. Dos cargas \(q_1=2{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\) y \(q_2=3{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\) están separadas \(0{,}30\ \mathrm{m}\). Calcula la fuerza eléctrica.

+q₁ +q₂ 0,30 m F₁ F₂
Las dos fuerzas tienen el mismo módulo, sentidos opuestos y actúan sobre la recta que une las cargas.

Lo que sabemos

\(q_1=2{,}0\ \mu\mathrm{C}\), \(q_2=3{,}0\ \mu\mathrm{C}\), \(r=0{,}30\ \mathrm{m}\).

Cómo lo planteamos

La ley de Coulomb proporciona el módulo. Como las cargas tienen el mismo signo, la fuerza es repulsiva.

\[F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^2}\]

Cálculo

\[F=8{,}99\cdot10^9\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}\cdot3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}30^2}=0{,}599\ \mathrm{N}\]

Respuesta física. \(F\approx0{,}60\ \mathrm{N}\), repulsiva.
El valor es positivo como módulo. El sentido se determina con el signo de las cargas.
2

Fuerza atractiva entre cargas opuestas

Objetivo. Calcula la fuerza entre \(q_1=4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(q_2=-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\), separadas \(0{,}20\ \mathrm{m}\).

+q₁ -q₂ 0,20 m F₁ F₂
Las cargas de signo contrario se atraen. Cada fuerza apunta hacia la otra carga.

Información útil

\(q_1=4{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(q_2=-2{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(r=0{,}20\ \mathrm{m}\).

La elección importante

Las cargas de signo contrario se atraen. La fórmula se aplica al módulo.

Fórmula

\[F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^2}\]

Resultado numérico

\[F=8{,}99\cdot10^9\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}\cdot2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}=1{,}80\ \mathrm{N}\]

La respuesta. \(F\approx1{,}80\ \mathrm{N}\), atractiva.
Cada carga recibe una fuerza del mismo módulo y sentido opuesto.
3

Distancia a partir de la fuerza

Situación. Dos cargas de \(5{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) se repelen con una fuerza de \(2{,}50\ \mathrm{N}\). Calcula la distancia.

+5 μC +2 μC r F = 2,50 N
La fuerza conocida permite despejar la distancia. El resultado debe expresarse en metros.

Información útil

\(q_1=5{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(q_2=2{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(F=2{,}50\ \mathrm{N}\).

La elección importante

Se despeja la distancia de la ley de Coulomb.

Fórmula

\[r=\sqrt{k\dfrac{|q_1q_2|}{F}}\]

Resultado numérico

\[r=\sqrt{8{,}99\cdot10^9\dfrac{5{,}0\cdot10^{-6}\cdot2{,}0\cdot10^{-6}}{2{,}50}}=0{,}190\ \mathrm{m}\]

El dato final. \(r\approx0{,}190\ \mathrm{m}\).
La unidad obtenida es el metro y la distancia es positiva.
4

Carga desconocida

Caso propuesto. Una carga \(q_1=3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está a \(0{,}50\ \mathrm{m}\) de otra carga. La fuerza tiene módulo \(0{,}216\ \mathrm{N}\). Calcula el módulo de la segunda carga.

3 μC |q₂| 0,50 m |F| = 0,216 N
Como solo se conoce el módulo de la fuerza, se obtiene el módulo de la carga desconocida, no su signo.

Ubicamos los datos

\(q_1=3{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(r=0{,}50\ \mathrm{m}\), \(F=0{,}216\ \mathrm{N}\).

El signo decide el sentido

La ley de Coulomb permite despejar el módulo de la carga desconocida.

\[|q_2|=\dfrac{Fr^2}{k|q_1|}\]

Cuenta

\[|q_2|=\dfrac{0{,}216\cdot0{,}50^2}{8{,}99\cdot10^9\cdot3{,}0\cdot10^{-6}}=2{,}00\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\]

\(|q_2|\approx2{,}00\ \mu\mathrm{C}\).
Miremos el signo. El dato de la fuerza no permite decidir por sí solo el signo de la carga.
5

Efecto de duplicar la distancia

Dos cargas mantienen sus valores y duplican la separación. Determina cómo cambia la fuerza.

q₁ q₂ r q₁ q₂ 2r F/4 F
Al duplicar la separación, la fuerza se reduce a la cuarta parte por la dependencia inversa con r².

\(r_2=2r_1\).

La fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

\[\dfrac{F_2}{F_1}=\left(\dfrac{r_1}{r_2}\right)^2\]

\[\dfrac{F_2}{F_1}=\left(\dfrac{1}{2}\right)^2=\dfrac{1}{4}\]

La fuerza se reduce a la cuarta parte.
Sentido del resultado. El resultado refleja la dependencia \(1/r^2\).
6

Efecto de triplicar una carga

Punto de partida. Se triplica una de las cargas y se mantiene fija la distancia. ¿Cómo cambia la fuerza?

q₁ q₂ r q₁ 3q₂ r F 3F
Con la distancia fija, triplicar una de las cargas triplica el módulo de la fuerza.

\(q_2\to3q_2\).

La fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas.

\[F\propto q_1q_2\]

\[F_2=3F_1\]

Se obtiene. La fuerza se triplica.
La física detrás del número. No cambia la dirección ni el carácter atractivo o repulsivo si no cambia el signo.
7

Fuerza sobre una carga situada en el eje x

Una carga \(+6{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \(x=0\) y otra carga \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(x=0{,}40\ \mathrm{m}\). Calcula la fuerza sobre la segunda.

+6 μC -2 μC 0,40 m F sobre q₂
La fuerza sobre la carga negativa apunta hacia la carga positiva, es decir, hacia el sentido negativo del eje x.

Distancias y signos

\(q_1=+6{,}0\ \mu\mathrm{C}\), \(q_2=-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\), \(r=0{,}40\ \mathrm{m}\).

Qué debe compararse

La fuerza es atractiva y apunta hacia la carga positiva, es decir, hacia la izquierda.

Relaciones necesarias

\[F=k\dfrac{|q_1q_2|}{r^2}\]

\[F=8{,}99\cdot10^9\dfrac{6{,}0\cdot10^{-6}\cdot2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40^2}=0{,}674\ \mathrm{N}\]

Valor buscado. \(\vec F=-0{,}674\,\hat\imath\ \mathrm{N}\).
El signo negativo corresponde al eje elegido, no al módulo de la fuerza.
8

Fuerza total sobre una carga entre otras dos

Qué se pide. Una carga \(+1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está entre una carga \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\), situada \(0{,}20\ \mathrm{m}\) a su izquierda, y otra \(-3{,}0\ \mu\mathrm{C}\), situada \(0{,}30\ \mathrm{m}\) a su derecha. Calcula la fuerza total.

+4 +1 -3 0,20 m 0,30 m F total
La carga izquierda repele a la central y la derecha la atrae. Las dos fuerzas apuntan hacia la derecha.

Las dos fuerzas sobre la carga central apuntan hacia la derecha.

La idea física

La carga izquierda la repele y la derecha la atrae. Los módulos se suman.

Ecuación útil

\[F_T=k\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}\cdot1{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}+k\dfrac{3{,}0\cdot10^{-6}\cdot1{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}30^2}\]

En números

\[F_1=0{,}899\ \mathrm{N},\qquad F_2=0{,}300\ \mathrm{N}\]\[F_T=1{,}20\ \mathrm{N}\]

\(F_T\approx1{,}20\ \mathrm{N}\) hacia la derecha.
El dibujo confirma. El dibujo evita restar fuerzas que en realidad tienen el mismo sentido.
9

Punto de equilibrio entre dos cargas positivas

Dos cargas \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(+9{,}0\ \mu\mathrm{C}\) están separadas \(0{,}50\ \mathrm{m}\). Localiza el punto interior donde una carga positiva de prueba estaría en equilibrio.

+4 +9 P x 0,50 - x E1 E2
En el punto de equilibrio los campos son opuestos e iguales. El punto queda más cerca de la carga menor.

Aquí merece la pena detenerse antes de escribir una ecuación: entre las dos cargas los campos apuntan en sentidos opuestos; fuera del segmento, no.

Escala y unidades

Sea \(x\) la distancia desde la carga de \(4{,}0\ \mu\mathrm{C}\).

Comprobación previa

En el punto interior, las fuerzas son opuestas. Se igualan sus módulos.

Modelo elegido

\[\dfrac{4}{x^2}=\dfrac{9}{(0{,}50-x)^2}\]

\[\dfrac{2}{x}=\dfrac{3}{0{,}50-x}\Rightarrow 1-2x=3x\Rightarrow x=0{,}20\ \mathrm{m}\]

En cifras. El punto está a \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de la carga menor.
Interpretación. Debe quedar más cerca de la carga de menor módulo.
10

Fuerza resultante en un triángulo rectángulo

Problema. Una carga de prueba \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \((0,0{,}40)\ \mathrm{m}\). Hay una carga \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en el origen y otra \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \((0{,}30,0)\ \mathrm{m}\). Calcula la fuerza resultante.

+3 +4 P 0,40 m 0,30 m 0,50 m F₁ F₂
El esquema 3-4-5 permite obtener la distancia a la segunda carga y descomponer su fuerza en componentes.

Escala y unidades

Las distancias son \(0{,}40\ \mathrm{m}\) y \(0{,}50\ \mathrm{m}\).

Comprobación previa

Se calculan las dos fuerzas y se descompone la correspondiente al triángulo 3-4-5.

Modelo elegido

\[F_1=k\dfrac{3\cdot2\cdot10^{-12}}{0{,}40^2},\qquad F_2=k\dfrac{4\cdot2\cdot10^{-12}}{0{,}50^2}\]

\[F_1=0{,}337\ \mathrm{N},\qquad F_2=0{,}288\ \mathrm{N}\]\[F_{2x}=-0{,}6F_2=-0{,}173\ \mathrm{N},\quad F_{2y}=0{,}8F_2=0{,}230\ \mathrm{N}\]\[\vec F=(-0{,}173\,\hat\imath+0{,}567\,\hat\jmath)\ \mathrm{N}\]\[|\vec F|=0{,}593\ \mathrm{N}\]

Numéricamente. \(\vec F=(-0{,}173\,\hat\imath+0{,}567\,\hat\jmath)\ \mathrm{N}\).
Antes de seguir. El resultado apunta principalmente hacia arriba, coherente con la geometría y las repulsiones.

Bloque 2. Campo eléctrico y superposición

11

Campo creado por una carga positiva

El cálculo. Calcula el campo eléctrico creado por \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) a \(0{,}20\ \mathrm{m}\).

+4 μC P 0,20 m E
El campo de una carga positiva apunta radialmente hacia fuera.

Datos y unidades

\(Q=+4{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(r=0{,}20\ \mathrm{m}\).

El campo de una carga positiva apunta radialmente hacia fuera.

Modelo físico

\[E=k\dfrac{|Q|}{r^2}\]

Aplicación numérica

\[E=8{,}99\cdot10^9\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}=8{,}99\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]

\(E=8{,}99\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\), hacia fuera.
Lectura física. La unidad \(\mathrm{N/C}\) es equivalente a \(\mathrm{V/m}\).
12

Campo creado por una carga negativa

Una carga \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) crea campo a \(0{,}30\ \mathrm{m}\). Calcula módulo y sentido.

−2 μC P 0,30 m E
El campo creado por una carga negativa apunta desde el punto hacia la carga.

Dato decisivo

\(Q=-2{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(r=0{,}30\ \mathrm{m}\).

El módulo se calcula con el valor absoluto y el sentido apunta hacia la carga negativa.

\[E=k\dfrac{|Q|}{r^2}\]

Resolución breve

\[E=8{,}99\cdot10^9\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}30^2}=2{,}00\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]

Resultado. \(E\approx2{,}00\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\), hacia la carga.
Qué conviene recordar. El signo de Q decide el sentido, no convierte el módulo en negativo.
13

Fuerza a partir del campo

Pregunta. En un punto hay un campo de \(3000\ \mathrm{N/C}\). Calcula la fuerza sobre una carga \(+5{,}0\ \mu\mathrm{C}\).

E = 3000 N/C +q F
Para una carga positiva, la fuerza tiene el mismo sentido que el campo.

Antes de empezar

\(E=3000\ \mathrm{N/C}\), \(q=+5{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\).

El camino más directo

Para una carga positiva, fuerza y campo tienen el mismo sentido.

\[\vec F=q\vec E\]

Desarrollo

\[F=5{,}0\cdot10^{-6}\cdot3000=1{,}50\cdot10^{-2}\ \mathrm{N}\]

La solución. \(F=1{,}50\cdot10^{-2}\ \mathrm{N}\), en el sentido del campo.
Control final. La dependencia es lineal con la carga de prueba.
14

Fuerza sobre una carga negativa

Objetivo. Un campo uniforme de \(800\ \mathrm{N/C}\) apunta hacia la derecha. Calcula la fuerza sobre \(q=-3{,}0\ \mu\mathrm{C}\).

E = 800 N/C -q F
Para una carga negativa, la fuerza tiene sentido contrario al campo.

Antes de empezar

\(E=800\ \mathrm{N/C}\), \(q=-3{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\).

El camino más directo

La fuerza sobre una carga negativa tiene sentido contrario al campo.

\[\vec F=q\vec E\]

Desarrollo

\[F_x=-3{,}0\cdot10^{-6}\cdot800=-2{,}40\cdot10^{-3}\ \mathrm{N}\]

Conclusión. La fuerza tiene módulo \(2{,}40\cdot10^{-3}\ \mathrm{N}\) y apunta a la izquierda.
Orden de magnitud. El signo negativo expresa el sentido respecto al eje elegido.
15

Distancia para un campo dado

Situación. ¿A qué distancia de una carga \(+8{,}0\ \mu\mathrm{C}\) el campo vale \(2{,}0\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\)?

+8 μC P r E = 2·10⁵ N/C
La distancia se mide desde la carga hasta el punto donde se conoce el campo.

Lo que sabemos

\(Q=8{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(E=2{,}0\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\).

Cómo lo planteamos

Se despeja la distancia en la expresión del campo puntual.

\[r=\sqrt{\dfrac{k|Q|}{E}}\]

Cálculo

\[r=\sqrt{\dfrac{8{,}99\cdot10^9\cdot8{,}0\cdot10^{-6}}{2{,}0\cdot10^5}}=0{,}600\ \mathrm{m}\]

Con estas cuentas. \(r\approx0{,}600\ \mathrm{m}\).
Control de unidades. Al aumentar la distancia, el campo disminuye.
16

Campo en el punto medio de dos cargas iguales

Caso propuesto. Dos cargas positivas iguales están separadas \(0{,}40\ \mathrm{m}\). Calcula el campo en el punto medio.

+Q +Q P E₂ E₁
En el punto medio, los dos campos tienen igual módulo y sentidos opuestos, por lo que se anulan.

Las distancias y los módulos de las cargas son iguales.

Los campos tienen el mismo módulo y sentidos opuestos.

\[\vec E_T=\vec E_1+\vec E_2\]

\[E_1=E_2,\qquad \vec E_1=-\vec E_2\]

Así queda. \(\vec E_T=0\).
Comprobación rápida. Campo nulo no implica potencial nulo.
17

Campo en el punto medio de un dipolo

Dos cargas \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) están separadas \(0{,}40\ \mathrm{m}\). Calcula el campo en el punto medio.

+Q -Q P E₁ E₂
Entre una carga positiva y otra negativa, ambos campos apuntan desde la positiva hacia la negativa.

Dato decisivo

Cada carga está a \(0{,}20\ \mathrm{m}\) del punto.

Entre cargas opuestas, los dos campos apuntan desde la positiva hacia la negativa.

\[E_T=2k\dfrac{|Q|}{(0{,}20)^2}\]

Resolución breve

\[E_T=2\cdot8{,}99\cdot10^9\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}=8{,}99\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]

Respuesta física. \(E_T=8{,}99\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\), de la carga positiva a la negativa.
Revisión. El potencial en ese mismo punto es cero, pero el campo no.
18

Suma de campos en la misma dirección

Punto de partida. En un punto actúan \(E_1=2000\ \mathrm{N/C}\) y \(E_2=5000\ \mathrm{N/C}\), ambos hacia la derecha.

P E₁ = 2000 E₂ = 5000 E total
Cuando los campos son colineales y apuntan en el mismo sentido, sus módulos se suman.

Los dos vectores son colineales y del mismo sentido.

Se suman los módulos.

\[E_T=E_1+E_2\]

\[E_T=2000+5000=7000\ \mathrm{N/C}\]

La respuesta. \(E_T=7000\ \mathrm{N/C}\) hacia la derecha.
Una comprobación. No hace falta Pitágoras cuando los vectores son colineales.
19

Suma de campos opuestos

En un punto, \(E_1=9000\ \mathrm{N/C}\) apunta a la derecha y \(E_2=4000\ \mathrm{N/C}\) a la izquierda.

P E₁ = 9000 N/C E₂ = 4000 N/C E total = 5000 N/C
La resultante apunta en el sentido del campo de mayor módulo y su módulo es la diferencia.

Se toma la derecha como sentido positivo.

Se suman algebraicamente las componentes.

\[E_x=9000-4000\]

\[E_x=5000\ \mathrm{N/C}\]

El dato final. \(E_T=5000\ \mathrm{N/C}\) hacia la derecha.
El sentido final es el del campo de mayor módulo.
20

Campo con componentes perpendiculares

Qué se pide. Un campo tiene componentes \(E_x=3000\ \mathrm{N/C}\) y \(E_y=4000\ \mathrm{N/C}\). Calcula módulo y ángulo.

Eₓ = 3000 Eᵧ = 4000 E = 5000
El triángulo de componentes permite obtener el módulo mediante Pitágoras y el ángulo mediante la tangente.

Las componentes son perpendiculares.

Se usa Pitágoras y la tangente del ángulo.

\[E=\sqrt{E_x^2+E_y^2},\qquad \tan\theta=\dfrac{E_y}{E_x}\]

\[E=5000\ \mathrm{N/C},\qquad \theta=\arctan(4/3)=53{,}1^\circ\]

\(E=5000\ \mathrm{N/C}\) y \(\theta=53{,}1^\circ\).
La dirección queda en el primer cuadrante porque ambas componentes son positivas.
21

Campo de dos cargas alineadas

Una carga \(+6{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \(x=0\) y otra \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(x=0{,}60\ \mathrm{m}\). Calcula el campo en \(x=0{,}20\ \mathrm{m}\).

+6 −2 P 0,20 m 0,40 m E₁ E₂
En P, el campo de la carga positiva y el de la negativa apuntan los dos hacia la derecha.

Las distancias son \(0{,}20\ \mathrm{m}\) y \(0{,}40\ \mathrm{m}\).

La idea física

Los dos campos apuntan hacia la derecha.

Ecuación útil

\[E_T=k\dfrac{6{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}+k\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40^2}\]

En números

\[E_1=1{,}35\cdot10^6\ \mathrm{N/C},\qquad E_2=1{,}12\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]\[E_T=1{,}46\cdot10^6\ \mathrm{N/C}\]

\(E_T\approx1{,}46\cdot10^6\ \mathrm{N/C}\) hacia la derecha.
La carga negativa atrae una carga positiva de prueba, por eso su campo también apunta a la derecha.
22

Punto de campo nulo con cargas opuestas desiguales

Problema. Una carga \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \(x=0\) y otra \(-1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(x=0{,}60\ \mathrm{m}\). Localiza el punto donde el campo se anula.

+4 -1 P 0,60 m 0,60 m E de -q E de +q
El punto de campo nulo queda fuera del segmento y del lado de la carga de menor módulo. Los campos allí son opuestos.

No busques el punto nulo entre las cargas. En esa zona, al ser de signo contrario, los dos campos llevan el mismo sentido.

Qué conocemos

El punto no puede estar entre las cargas porque allí los campos se suman.

Qué buscamos

Se busca a la derecha de la carga de menor módulo.

La ecuación que conecta ambos

\[\dfrac{4}{x^2}=\dfrac{1}{(x-0{,}60)^2}\]

Cálculo final

\[\dfrac{2}{x}=\dfrac{1}{x-0{,}60}\Rightarrow 2x-1{,}20=x\Rightarrow x=1{,}20\ \mathrm{m}\]

Se obtiene. El punto está en \(x=1{,}20\ \mathrm{m}\), a \(0{,}60\ \mathrm{m}\) de la carga negativa.
Miremos el signo. Queda fuera del segmento y del lado de la carga menor.
23

Tres cargas iguales en un triángulo equilátero

El cálculo. Tres cargas positivas iguales ocupan los vértices de un triángulo equilátero. Calcula el campo en su centro.

+Q +Q +Q C E₁ E₂ E₃
Por simetría, los tres campos tienen el mismo módulo y están separados 120 grados, por lo que su suma es cero.

El centro está a la misma distancia de las tres cargas.

Los tres campos tienen igual módulo y direcciones separadas \(120^\circ\).

\[\vec E_1+\vec E_2+\vec E_3=0\]

Por simetría, las componentes se cancelan exactamente.

Valor buscado. \(\vec E=0\).
Sentido del resultado. El potencial en el centro es positivo y no se anula.
24

Cuatro cargas iguales en un cuadrado

Cuatro cargas positivas iguales ocupan los vértices de un cuadrado. Determina el campo en el centro.

+Q +Q +Q +Q C
En el centro, las contribuciones de vértices opuestos se cancelan por simetría.

Antes de sumar cuatro vectores, mira la simetría. Si el dibujo está bien hecho, gran parte del cálculo desaparece.

La distancia del centro a cada vértice es la misma.

Cada campo tiene otro de igual módulo y sentido opuesto.

\[\vec E_T=\sum_{i=1}^4\vec E_i\]

Las parejas de vértices opuestos cancelan sus contribuciones.

\(\vec E_T=0\).
La física detrás del número. La cancelación es vectorial y depende de la simetría.
25

Campo resultante de dos cargas en ejes perpendiculares

Pregunta. Una carga \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \((0{,}30,0)\ \mathrm{m}\) y otra \(-3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \((0,0{,}40)\ \mathrm{m}\). Calcula el campo en el origen.

x y P +2 -3 0,30 m 0,40 m E₂ E₁
El campo de la carga positiva apunta hacia la izquierda y el de la carga negativa hacia arriba.

Situamos las cargas

El primer campo apunta a la izquierda y el segundo hacia arriba.

Se calculan las componentes y se obtiene la resultante.

Relación entre magnitudes

\[E_x=-k\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}30^2},\qquad E_y=+k\dfrac{3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40^2}\]

\[E_x=-2{,}00\cdot10^5\ \mathrm{N/C},\qquad E_y=1{,}69\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]\[E=2{,}61\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]

En cifras. \(\vec E=(-2{,}00\cdot10^5\,\hat\imath+1{,}69\cdot10^5\,\hat\jmath)\ \mathrm{N/C}\).
El vector queda en el segundo cuadrante.
26

Campo sobre el eje de un dipolo

Objetivo. Un dipolo tiene \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(x=-0{,}10\ \mathrm{m}\) y \(-3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(x=+0{,}10\ \mathrm{m}\). Calcula el campo en \(x=0{,}30\ \mathrm{m}\).

+3 -3 P 0,20 m 0,20 m E de +q E de -q E total
En P, el campo de la carga negativa domina por estar más cerca, de modo que la resultante apunta hacia la izquierda.

Las distancias son \(0{,}40\ \mathrm{m}\) y \(0{,}20\ \mathrm{m}\).

El signo decide el sentido

El campo de la positiva apunta a la derecha y el de la negativa a la izquierda.

\[E_x=k\dfrac{3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40^2}-k\dfrac{3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}\]

\[E_x=1{,}69\cdot10^5-6{,}74\cdot10^5=-5{,}06\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]

Numéricamente. \(E=5{,}06\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\) hacia la izquierda.
El dibujo confirma. La carga negativa está más cerca y domina la resultante.

Bloque 3. Potencial, energía y trabajo

27

Potencial creado por una carga positiva

Situación. Calcula el potencial creado por \(+5{,}0\ \mu\mathrm{C}\) a \(0{,}25\ \mathrm{m}\).

+5 μC P 0,25 m V > 0
El potencial de una carga positiva es positivo cuando se toma cero en el infinito.

Situamos las cargas

\(Q=5{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(r=0{,}25\ \mathrm{m}\).

Sentidos y signos

El potencial es escalar y conserva el signo de la carga fuente.

Relación entre magnitudes

\[V=k\dfrac{Q}{r}\]

\[V=8{,}99\cdot10^9\dfrac{5{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}25}=1{,}80\cdot10^5\ \mathrm{V}\]

\(V\approx1{,}80\cdot10^5\ \mathrm{V}\).
Interpretación. El potencial es positivo porque la carga fuente es positiva.
28

Potencial creado por una carga negativa

Caso propuesto. Calcula el potencial creado por \(-3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) a \(0{,}40\ \mathrm{m}\).

-3 μC P 0,40 m V < 0
El potencial de una carga negativa es negativo cuando se toma cero en el infinito.

Escala y unidades

\(Q=-3{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(r=0{,}40\ \mathrm{m}\).

Comprobación previa

Se sustituye la carga con su signo.

\[V=k\dfrac{Q}{r}\]

\[V=8{,}99\cdot10^9\dfrac{-3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40}=-6{,}74\cdot10^4\ \mathrm{V}\]

Resultado. \(V\approx-6{,}74\cdot10^4\ \mathrm{V}\).
Antes de seguir. El cero de potencial se toma en el infinito.
29

Potencial nulo en el punto medio de un dipolo

Dos cargas \(+Q\) y \(-Q\) están separadas. Calcula el potencial en el punto medio.

+Q -Q P r r V(P) = 0 E no es 0
Las contribuciones al potencial se cancelan por ser escalares y opuestas. Los campos, en cambio, se suman.

Las distancias a las dos cargas son iguales.

Los potenciales se suman algebraicamente.

\[V=k\dfrac{Q}{r}+k\dfrac{-Q}{r}\]

\[V=0\]

La solución. El potencial en el punto medio es cero.
Lectura física. En ese punto el campo no es cero, porque las contribuciones vectoriales se suman.
30

Potencial en el centro de un cuadrado

Punto de partida. Cuatro cargas \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) ocupan los vértices de un cuadrado de lado \(0{,}40\ \mathrm{m}\). Calcula el potencial en el centro.

+2 +2 +2 +2 C a/√2
El potencial es escalar: se suman cuatro contribuciones iguales a la distancia a/√2.

La distancia al centro es \(r=a/\sqrt2=0{,}283\ \mathrm{m}\).

El potencial suma cuatro contribuciones iguales.

La ley que usamos

\[V=4k\dfrac{Q}{a/\sqrt2}\]

\[V=4\cdot8{,}99\cdot10^9\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}2828}=2{,}54\cdot10^5\ \mathrm{V}\]

Conclusión. \(V\approx2{,}54\cdot10^5\ \mathrm{V}\).
Qué conviene recordar. El campo en el centro es cero, pero el potencial es positivo.
31

Potencial debido a dos cargas de signo contrario

Un punto está a \(0{,}30\ \mathrm{m}\) de \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y a \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Calcula el potencial.

+4 -2 P 0,30 m 0,20 m V(P) = k(q₁/r₁ + q₂/r₂)
Para calcular el potencial solo importan los signos de las cargas y las distancias al punto.

Las contribuciones se suman con signo.

Qué debe ocurrir

El potencial es escalar.

Herramienta matemática

\[V=k\left(\dfrac{Q_1}{r_1}+\dfrac{Q_2}{r_2}\right)\]

\[V=8{,}99\cdot10^9\left(\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}30}-\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20}\right)=3{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V}\]

Con estas cuentas. \(V\approx3{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V}\).
Control final. El término positivo domina ligeramente.
32

Energía potencial de dos cargas positivas

Qué se pide. Dos cargas \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) están separadas \(0{,}50\ \mathrm{m}\). Calcula la energía potencial.

+2 +3 0,50 m U > 0
Dos cargas del mismo signo forman un sistema con energía potencial positiva respecto al infinito.

Magnitudes conocidas

\(q_1q_2>0\).

Qué magnitudes se relacionan

La energía potencial es positiva para cargas del mismo signo.

\[U=k\dfrac{q_1q_2}{r}\]

Cuentas

\[U=8{,}99\cdot10^9\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}\cdot3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}50}=0{,}108\ \mathrm{J}\]

Así queda. \(U\approx0{,}108\ \mathrm{J}\).
Orden de magnitud. El sistema puede disminuir su energía separándose.
33

Energía potencial de cargas opuestas

Calcula la energía potencial de \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(-1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) separadas \(0{,}20\ \mathrm{m}\).

+4 -1 0,20 m U < 0
Dos cargas de signo contrario forman un sistema ligado con energía potencial negativa.

Energías y signos

\(q_1q_2<0\).

La energía potencial resulta negativa.

Conservación de la energía

\[U=k\dfrac{q_1q_2}{r}\]

Despeje

\[U=8{,}99\cdot10^9\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}\cdot(-1{,}0\cdot10^{-6})}{0{,}20}=-0{,}180\ \mathrm{J}\]

Respuesta física. \(U\approx-0{,}180\ \mathrm{J}\).
Control de unidades. El signo negativo corresponde a un sistema ligado por atracción.
34

Trabajo eléctrico entre dos potenciales

Problema. Una carga \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) se desplaza desde \(V_A=500\ \mathrm{V}\) hasta \(V_B=100\ \mathrm{V}\). Calcula el trabajo del campo.

A B desplazamiento Vₐ = 500 V Vᵦ = 100 V q = +2 μC
El trabajo del campo depende únicamente de la diferencia de potencial entre los extremos.

\(q=2{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\), \(V_A-V_B=400\ \mathrm{V}\).

La elección importante

El trabajo del campo es \(q(V_A-V_B)\).

Fórmula

\[W_e=q(V_A-V_B)\]

\[W_e=2{,}0\cdot10^{-6}(500-100)=8{,}0\cdot10^{-4}\ \mathrm{J}\]

La respuesta. \(W_e=8{,}0\cdot10^{-4}\ \mathrm{J}\).
Comprobación rápida. El trabajo es positivo porque una carga positiva se desplaza hacia menor potencial.
35

Trabajo externo en un desplazamiento cuasiestático

El cálculo. Una carga \(-3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) se mueve lentamente desde \(-200\ \mathrm{V}\) hasta \(400\ \mathrm{V}\). Calcula el trabajo externo.

A B movimiento lento Vₐ = -200 V Vᵦ = 400 V q = -3 μC
En un traslado cuasiestático, el trabajo externo coincide con la variación de energía potencial.

Información útil

\(\Delta V=600\ \mathrm{V}\), \(q=-3{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\).

La elección importante

En un traslado lento, el trabajo externo coincide con \(\Delta U=q\Delta V\).

Fórmula

\[W_{ext}=\Delta U=q(V_B-V_A)\]

\[W_{ext}=-3{,}0\cdot10^{-6}\cdot600=-1{,}80\cdot10^{-3}\ \mathrm{J}\]

El dato final. \(W_{ext}=-1{,}80\cdot10^{-3}\ \mathrm{J}\).
Revisión. El campo realiza trabajo positivo de igual módulo.
36

Velocidad de un electrón acelerado por una diferencia de potencial

Un electrón parte del reposo y atraviesa una diferencia de potencial de \(250\ \mathrm{V}\). Calcula su velocidad no relativista.

+ - e⁻ movimiento |ΔV| = 250 V
El electrón gana energía cinética al desplazarse hacia potenciales mayores, en sentido contrario al campo.

Usaremos el módulo de la diferencia de potencial para obtener la rapidez. El signo ya se ha tenido en cuenta al decidir hacia dónde se acelera el electrón.

Datos que entran

\(e=1{,}602\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\), \(m_e=9{,}109\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\).

Primero, el planteamiento

La disminución de energía potencial se transforma en energía cinética.

\[e|\Delta V|=\frac12m_ev^2\]

Operación

\[v=\sqrt{\dfrac{2e\Delta V}{m_e}}=9{,}38\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\]

\(v\approx9{,}38\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\).
Una comprobación. La velocidad es aproximadamente un 3 % de la velocidad de la luz, por lo que el tratamiento clásico es razonable.
37

Velocidad de un protón acelerado

Pregunta. Un protón parte del reposo y atraviesa \(1500\ \mathrm{V}\). Calcula su velocidad.

+ - p⁺ movimiento ΔV = 1500 V
El protón acelera en el sentido del campo, desde la placa positiva hacia la negativa.

Magnitudes conocidas

\(m_p=1{,}673\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}\).

Se aplica conservación de la energía.

Ecuaciones

\[e|\Delta V|=\frac12m_pv^2\]

Cuentas

\[v=\sqrt{\dfrac{2e\cdot1500}{m_p}}=5{,}36\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\]

\(v\approx5{,}36\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\).
A igual diferencia de potencial, el protón adquiere mucha menos velocidad que el electrón por su mayor masa.
38

Caída eléctrica hacia una carga negativa

Objetivo. Una partícula de masa \(0{,}010\ \mathrm{kg}\) y carga \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) parte del reposo a \(0{,}40\ \mathrm{m}\) de una carga fija \(-5{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Calcula su velocidad al llegar a \(0{,}20\ \mathrm{m}\).

-5 +q P final movimiento r inicial = 0,40 m r final = 0,20 m
La partícula se acerca desde 0,40 m hasta 0,20 m. La energía potencial disminuye y la rapidez aumenta.

El movimiento es atractivo y se desprecia cualquier otra interacción.

El signo decide el sentido

La disminución de energía potencial se transforma en cinética.

\[\frac12mv^2=k|Qq|\left(\dfrac{1}{r_f}-\dfrac{1}{r_i}\right)\]

\[\Delta K=8{,}99\cdot10^9\cdot10^{-11}(5-2{,}5)=0{,}2248\ \mathrm{J}\]\[v=\sqrt{\dfrac{2\cdot0{,}2248}{0{,}010}}=6{,}70\ \mathrm{m/s}\]

Se obtiene. \(v\approx6{,}70\ \mathrm{m/s}\).
La velocidad aumenta al acercarse a la carga atractiva.
39

Velocidad mínima para escapar de una atracción eléctrica

Situación. Una partícula de carga \(+1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y masa \(2{,}0\ \mathrm{g}\) está a \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de una carga fija \(-8{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Calcula la velocidad mínima de escape.

-8 +q r = 0,20 m vₑ hacia el infinito
La velocidad mínima permite que la partícula llegue al infinito con velocidad final nula.

Situamos las cargas

En el límite de escape, la energía final en el infinito es cero.

Sentidos y signos

La energía cinética inicial debe compensar el módulo de la energía potencial.

Relación entre magnitudes

\[\frac12mv_e^2=k\dfrac{|Qq|}{r}\]

\[v_e=\sqrt{\dfrac{2k|Qq|}{mr}}=19{,}0\ \mathrm{m/s}\]

Valor buscado. \(v_e\approx19{,}0\ \mathrm{m/s}\).
La velocidad depende de la masa y de la interacción eléctrica, a diferencia de la velocidad de escape gravitatoria para una masa de prueba.
40

Trabajo en una trayectoria cerrada

Caso propuesto. Una carga recorre una trayectoria cerrada en un campo electrostático y vuelve al punto inicial. Calcula el trabajo total del campo.

+Q trayectoria cerrada: W = 0
Al volver al punto inicial, la variación de energía potencial es nula y el trabajo total del campo es cero.

El punto inicial y final coinciden.

El campo electrostático es conservativo.

\[W_e=-\Delta U\]

\[\Delta U=0\Rightarrow W_e=0\]

El trabajo total es cero.
Miremos el signo. El resultado no depende de la forma de la trayectoria.

Bloque 4. Campo uniforme y movimiento de cargas

41

Campo a partir de la pendiente del potencial

El potencial disminuye linealmente \(600\ \mathrm{V}\) al avanzar \(0{,}030\ \mathrm{m}\) en el eje x. Calcula el campo.

x V(x) disminuye E hacia +x
La pendiente negativa del potencial produce un campo positivo, porque Eₓ = -dV/dx.

\(\Delta V=-600\ \mathrm{V}\), \(\Delta x=0{,}030\ \mathrm{m}\).

En una dimensión, \(E_x=-\Delta V/\Delta x\).

Una relación basta

\[E_x=-\dfrac{\Delta V}{\Delta x}\]

Cuenta directa

\[E_x=-\dfrac{-600}{0{,}030}=2{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\]

En cifras. \(E_x=2{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\) hacia +x.
Sentido del resultado. El campo apunta hacia los potenciales menores.
42

Campo entre placas a partir de la diferencia de potencial

Punto de partida. Dos placas paralelas están separadas \(0{,}040\ \mathrm{m}\) y mantienen una diferencia de potencial de \(1200\ \mathrm{V}\). Calcula el campo ideal.

+ - d = 0,040 m |ΔV| = 1200 V
El campo ideal es uniforme, perpendicular a las placas y dirigido de la placa positiva a la negativa.

\(d=0{,}040\ \mathrm{m}\), \(|\Delta V|=1200\ \mathrm{V}\).

Comprobación previa

Entre placas ideales, el campo es uniforme.

Modelo elegido

\[E=\dfrac{|\Delta V|}{d}\]

\[E=\dfrac{1200}{0{,}040}=3{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\]

Numéricamente. \(E=3{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\).
La física detrás del número. El campo apunta de la placa positiva a la negativa.
43

Fuerza sobre un electrón entre placas

Un electrón se encuentra en un campo uniforme de \(2{,}50\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\). Calcula la fuerza.

E e⁻ F
La fuerza sobre el electrón es opuesta al campo por el signo negativo de su carga.

\(|q|=e\).

Lectura del dibujo

La fuerza tiene sentido contrario al campo.

La relación que basta

\[|\vec F|=eE\]

\[F=1{,}602\cdot10^{-19}\cdot2{,}50\cdot10^4=4{,}01\cdot10^{-15}\ \mathrm{N}\]

\(F=4{,}01\cdot10^{-15}\ \mathrm{N}\), opuesta al campo.
La pequeñez de la fuerza no impide una aceleración enorme por la masa reducida del electrón.
44

Aceleración de un protón

Qué se pide. Un protón está en un campo uniforme de \(5{,}0\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\). Calcula su aceleración.

E p⁺ F = ma
La fuerza y la aceleración del protón tienen el mismo sentido que el campo.

Dibujo y datos

\(q=e\), \(m=m_p\).

Qué magnitudes intervienen

Se combinan la fuerza eléctrica y la segunda ley de Newton.

\[a=\dfrac{qE}{m}\]

Sustitución

\[a=\dfrac{1{,}602\cdot10^{-19}\cdot5{,}0\cdot10^3}{1{,}673\cdot10^{-27}}=4{,}79\cdot10^{11}\ \mathrm{m/s^2}\]

Resultado. \(a\approx4{,}79\cdot10^{11}\ \mathrm{m/s^2}\).
El dibujo confirma. La aceleración tiene el sentido del campo por ser una carga positiva.
45

Electrón acelerado a lo largo de un campo uniforme

Un electrón parte del reposo y recorre \(0{,}020\ \mathrm{m}\) en sentido contrario a un campo de \(1{,}0\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\). Calcula su rapidez final.

+ - e⁻ d = 0,020 m
El electrón acelera en sentido contrario al campo y gana una energía cinética igual a eEd.

La diferencia de potencial en módulo es \(Ed=200\ \mathrm{V}\).

La energía eléctrica se transforma en cinética.

Una relación basta

\[eEd=\frac12m_ev^2\]

Cuenta directa

\[v=\sqrt{\dfrac{2eEd}{m_e}}=8{,}39\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\]

La solución. \(v\approx8{,}39\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\).
Interpretación. La rapidez aumenta, aunque la aceleración del electrón sea contraria al sentido del campo.
46

Ion doblemente cargado entre placas

Problema. Un ion de carga \(+2e\) y masa \(6{,}64\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}\) parte del reposo en un campo de \(4{,}0\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\) y recorre \(0{,}050\ \mathrm{m}\). Calcula su velocidad.

+ - +2e d = 0,050 m
El ion acelera en el sentido del campo. Su energía cinética ganada es qEd.

\(q=2e\), \(\Delta V=Ed=2000\ \mathrm{V}\).

Qué magnitudes se relacionan

La energía cinética ganada es \(q\Delta V\).

Ecuaciones

\[qEd=\frac12mv^2\]

\[v=\sqrt{\dfrac{2(2e)(4{,}0\cdot10^4)(0{,}050)}{6{,}64\cdot10^{-27}}}=4{,}39\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\]

Conclusión. \(v\approx4{,}39\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\).
Antes de seguir. La carga doble aumenta la energía ganada respecto a un ion con carga e.
47

Movimiento paralelo al campo

El cálculo. Un protón entra con \(v_0=2{,}0\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\) en el sentido de un campo \(E=1000\ \mathrm{N/C}\). Calcula velocidad y desplazamiento tras \(2{,}0\ \mu\mathrm{s}\).

E p⁺ v₀ v
El movimiento es rectilíneo y acelerado: la velocidad aumenta sin curvar la trayectoria.

Punto de partida

El movimiento es rectilíneo uniformemente acelerado.

Primero se calcula la aceleración y después se aplican las ecuaciones cinemáticas.

La ley que usamos

\[a=\dfrac{eE}{m_p},\quad v=v_0+at,\quad x=v_0t+\frac12at^2\]

\[a=9{,}58\cdot10^{10}\ \mathrm{m/s^2}\]\[v=3{,}92\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\]\[x=0{,}592\ \mathrm{m}\]

Con estas cuentas. \(v\approx3{,}92\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\) y \(x\approx0{,}592\ \mathrm{m}\).
Lectura física. El campo constante produce aceleración constante.
48

Distancia de frenado de un protón

Un protón entra con \(3{,}0\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\) en sentido contrario a un campo de \(2000\ \mathrm{N/C}\). Calcula la distancia hasta detenerse.

E p⁺ v₀ v disminuye
La fuerza eléctrica se opone a la velocidad y el protón se frena hasta detenerse.

Carga, masa y velocidad

La aceleración es opuesta a la velocidad.

Movimiento en cada eje

Se usa \(v^2=v_0^2+2a\Delta x\) con \(v=0\).

\[a=-\dfrac{eE}{m_p},\qquad d=\dfrac{v_0^2}{2|a|}\]

Sustituimos

\[|a|=1{,}92\cdot10^{11}\ \mathrm{m/s^2}\]\[d=0{,}235\ \mathrm{m}\]

Así queda. \(d\approx0{,}235\ \mathrm{m}\).
Qué conviene recordar. El resultado también puede obtenerse por energía.
49

Desviación de un electrón en un campo transversal

Pregunta. Un electrón entra horizontalmente con \(4{,}0\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\) en una región de longitud \(0{,}080\ \mathrm{m}\) con campo vertical de \(100\ \mathrm{N/C}\). Calcula la desviación y el ángulo de salida.

+ - e⁻ vₓ
Con el campo dirigido hacia abajo, el electrón acelera hacia arriba y describe una parábola.

Separamos los movimientos: horizontal uniforme y vertical acelerado. Mezclarlos desde el principio solo complica la cuenta.

Punto de partida

El movimiento horizontal es uniforme y el vertical uniformemente acelerado.

El electrón acelera en sentido opuesto al campo.

La ley que usamos

\[t=\dfrac{L}{v_x},\quad a_y=-\dfrac{eE}{m_e},\quad y=\frac12a_yt^2,\quad \tan\theta=\dfrac{|v_y|}{v_x}\]

Hasta el valor final

\[t=2{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{s}\]\[a_y=-1{,}76\cdot10^{13}\ \mathrm{m/s^2}\]\[y=-3{,}52\cdot10^{-3}\ \mathrm{m}\]\[\theta=5{,}03^\circ\]

Respuesta física. La desviación es \(3{,}52\ \mathrm{mm}\) en sentido opuesto al campo y el ángulo vale \(5{,}03^\circ\).
Control final. La trayectoria dentro de la región es parabólica.
50

Campo máximo para que un electrón no choque con una placa

Objetivo. Un electrón entra por el centro entre dos placas separadas \(0{,}020\ \mathrm{m}\), con velocidad horizontal \(5{,}0\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\). La longitud de las placas es \(0{,}050\ \mathrm{m}\). Calcula el campo máximo para no tocar una placa.

+ - e⁻ vₓ y ≤ d/2
La desviación máxima admisible es la mitad de la separación, porque el electrón entra por el plano medio.

La desviación máxima permitida es \(0{,}010\ \mathrm{m}\).

Qué debe compararse

Se impone que la desviación al salir sea igual a la mitad de la separación.

Relaciones necesarias

\[y=\frac12\dfrac{eE}{m_e}\left(\dfrac{L}{v}\right)^2\]

\[E=\dfrac{2ym_ev^2}{eL^2}=1{,}14\cdot10^3\ \mathrm{V/m}\]

La respuesta. \(E_{max}\approx1{,}14\cdot10^3\ \mathrm{V/m}\).
Orden de magnitud. Un campo mayor produciría una desviación superior a 1 cm.
51

Equilibrio de una gota cargada

Situación. Una gota de masa \(2{,}0\cdot10^{-12}\ \mathrm{kg}\) queda suspendida en un campo vertical hacia arriba de \(4{,}0\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\). Calcula su carga.

- + q⁺ qE mg
La gota queda suspendida cuando la fuerza eléctrica ascendente equilibra exactamente al peso.

El peso apunta hacia abajo.

La fuerza eléctrica debe equilibrar el peso y apuntar hacia arriba, por lo que la carga es positiva.

Una relación basta

\[qE=mg\]

\[q=\dfrac{mg}{E}=\dfrac{2{,}0\cdot10^{-12}\cdot9{,}81}{4{,}0\cdot10^4}=4{,}91\cdot10^{-16}\ \mathrm{C}\]

El dato final. \(q\approx4{,}91\cdot10^{-16}\ \mathrm{C}\), positiva.
Control de unidades. El valor equivale aproximadamente a \(3{,}06\cdot10^3\) cargas elementales.
52

Gota con carga negativa

Caso propuesto. Una gota de masa \(4{,}0\cdot10^{-15}\ \mathrm{kg}\) tiene carga \(-5e\). Calcula el campo necesario para mantenerla en equilibrio.

+ - -5e qE mg
Para que la fuerza eléctrica sea ascendente sobre una carga negativa, el campo debe apuntar hacia abajo.

Qué conocemos

La fuerza eléctrica debe apuntar hacia arriba.

Qué buscamos

Como la carga es negativa, el campo debe apuntar hacia abajo.

\[|q|E=mg\]

Cálculo final

\[E=\dfrac{4{,}0\cdot10^{-15}\cdot9{,}81}{5\cdot1{,}602\cdot10^{-19}}=4{,}90\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\]

\(E\approx4{,}90\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\) hacia abajo.
Comprobación rápida. El sentido del campo es esencial para que la fuerza eléctrica sea ascendente.
53

Trabajo en un desplazamiento paralelo al campo

Una carga \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) se desplaza \(0{,}050\ \mathrm{m}\) en el sentido de un campo de \(2000\ \mathrm{N/C}\). Calcula \(\Delta V\), \(\Delta U\) y el trabajo del campo.

E +q d = 0,050 m
Al avanzar en el sentido del campo, el potencial y la energía potencial disminuyen, mientras el campo realiza trabajo positivo.

Carga, masa y velocidad

El desplazamiento es paralelo al campo.

El potencial disminuye al avanzar en el sentido de E.

Ecuaciones del movimiento

\[\Delta V=-Ed,\qquad \Delta U=q\Delta V,\qquad W_e=-\Delta U\]

Sustituimos

\[\Delta V=-100\ \mathrm{V}\]\[\Delta U=-3{,}0\cdot10^{-4}\ \mathrm{J}\]\[W_e=3{,}0\cdot10^{-4}\ \mathrm{J}\]

\(\Delta V=-100\ \mathrm{V}\), \(\Delta U=-3{,}0\cdot10^{-4}\ \mathrm{J}\) y \(W_e=3{,}0\cdot10^{-4}\ \mathrm{J}\).
Revisión. El campo realiza trabajo positivo porque favorece el desplazamiento de la carga positiva.
54

Ecuación de la trayectoria en un campo transversal

Punto de partida. Un protón entra horizontalmente con \(v_0=1{,}0\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\) en un campo vertical de \(500\ \mathrm{N/C}\). Calcula la desviación cuando \(x=0{,}10\ \mathrm{m}\).

+ - p⁺ v₀
El movimiento horizontal es uniforme y el vertical uniformemente acelerado en el sentido del campo.

La velocidad inicial vertical es cero.

Movimiento en cada eje

Se elimina el tiempo entre \(x=v_0t\) e \(y=\frac12at^2\).

Ecuaciones del movimiento

\[y=\dfrac{qE}{2mv_0^2}x^2\]

\[y=\dfrac{1{,}602\cdot10^{-19}\cdot500}{2\cdot1{,}673\cdot10^{-27}\cdot(10^5)^2}(0{,}10)^2=2{,}39\cdot10^{-2}\ \mathrm{m}\]

Se obtiene. \(y\approx2{,}39\ \mathrm{cm}\).
Una comprobación. La trayectoria es parabólica mientras el campo sea uniforme.
55

Tiempo de tránsito y desviación de un protón

Un protón atraviesa una región de longitud \(0{,}12\ \mathrm{m}\) con velocidad horizontal \(6{,}0\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\) y campo vertical \(800\ \mathrm{N/C}\). Calcula tiempo y desviación.

+ - p⁺ vₓ L = 0,12 m
El tiempo depende de la longitud y de la velocidad horizontal. La desviación se obtiene con el movimiento vertical acelerado.

Punto de partida

La velocidad horizontal se considera constante.

Se calcula primero el tiempo de vuelo.

La ley que usamos

\[t=\dfrac{L}{v_x},\qquad y=\frac12\dfrac{eE}{m_p}t^2\]

\[t=2{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{s}\]\[y=1{,}53\cdot10^{-5}\ \mathrm{m}\]

Valor buscado. \(t=2{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{s}\) y \(y=15{,}3\ \mu\mathrm{m}\).
La desviación es pequeña por la elevada velocidad y la masa del protón.

Bloque 5. Problemas completos tipo PAU/EBAU

56

Comparación de desviaciones de electrón y protón

Dos partículas, un mismo campo. Un electrón y un protón entran con la misma rapidez en un mismo campo transversal y recorren la misma longitud dentro de él. Compara sus desviaciones.

+ - e⁻ p⁺ v v |yₑ| ≈ 1836 |yₚ|
Las partículas se desvían en sentidos opuestos. A igualdad de condiciones, el electrón se desvía unas 1836 veces más por su menor masa.

Geometría del problema

Tienen cargas de igual módulo y masas muy diferentes.

Decisión previa

Para la misma geometría, \(y\propto |q|/m\).

\[\dfrac{y_e}{y_p}=\dfrac{m_p}{m_e}\]

Sustituimos

\[\dfrac{y_e}{y_p}\approx1836\]

El electrón se desvía unas 1836 veces más que el protón y lo hace en sentido opuesto.
Los sentidos de desviación son opuestos por el signo de las cargas.
57

Campo y potencial de una esfera conductora

Sobre la superficie. Una esfera conductora de radio \(0{,}10\ \mathrm{m}\) posee carga \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Calcula el campo inmediatamente fuera de la superficie y el potencial en ella.

Q R = 0,10 m E(R) = kQ/R² V(R) = kQ/R
En la superficie se aplican las expresiones exteriores de una distribución esférica de carga.

Dentro del conductor en equilibrio el campo es nulo; eso no obliga a que el potencial sea cero.

Geometría del problema

Para puntos exteriores, la esfera se comporta como una carga puntual situada en el centro.

Se usan las expresiones de carga puntual con \(r=R\).

Expresión que conecta los datos

\[E(R)=k\dfrac{Q}{R^2},\qquad V(R)=k\dfrac{Q}{R}\]

Sustituimos

\[E(R)=2{,}70\cdot10^6\ \mathrm{N/C}\]\[V(R)=2{,}70\cdot10^5\ \mathrm{V}\]

En cifras. \(E(R)=2{,}70\cdot10^6\ \mathrm{N/C}\) y \(V(R)=2{,}70\cdot10^5\ \mathrm{V}\).
En el interior del material conductor, el campo es cero y el potencial constante.
58

Trabajo dentro de una esfera conductora

Una carga de prueba se desplaza entre dos puntos del material de una esfera conductora maciza en equilibrio electrostático. Calcula el trabajo del campo.

A B E interior = 0 Vₐ = Vᵦ Wₐ→ᵦ = 0
Como el campo interior es nulo y el potencial constante, el campo no realiza trabajo entre dos puntos interiores.

En todo el interior conductor, \(E=0\) y el potencial es constante.

La elección importante

No existe diferencia de potencial entre los puntos.

Fórmula

\[W_e=q(V_A-V_B)\]

\[V_A=V_B\Rightarrow W_e=0\]

Numéricamente. El trabajo del campo es cero.
Miremos el signo. La ausencia de campo interior es una propiedad del equilibrio electrostático.
59

Problema completo entre placas

El cálculo. Un electrón parte del reposo entre placas separadas \(0{,}030\ \mathrm{m}\) con diferencia de potencial \(600\ \mathrm{V}\). Calcula campo, fuerza, aceleración y velocidad al llegar a la placa positiva.

+ - e⁻ movimiento d = 0,030 m |ΔV| = 600 V
El electrón acelera hacia la placa positiva. Campo, fuerza, aceleración y velocidad se obtienen de forma encadenada.

Este ejercicio reúne casi todo el bloque. Decide primero el sentido del campo y de la fuerza; después, la cuenta sale en cadena.

Antes de empezar

El campo se considera uniforme y se desprecia la gravedad.

Se combinan campo uniforme, fuerza, dinámica y energía.

\[E=\dfrac{|\Delta V|}{d},\quad F=eE,\quad a=\dfrac{eE}{m_e},\quad e|\Delta V|=\frac12m_ev^2\]

Desarrollo

\[E=2{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\]\[F=3{,}20\cdot10^{-15}\ \mathrm{N}\]\[a=3{,}52\cdot10^{15}\ \mathrm{m/s^2}\]\[v=1{,}45\cdot10^7\ \mathrm{m/s}\]

\(E=2{,}00\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\), \(F=3{,}20\cdot10^{-15}\ \mathrm{N}\), \(a=3{,}52\cdot10^{15}\ \mathrm{m/s^2}\) y \(v=1{,}45\cdot10^7\ \mathrm{m/s}\).
Sentido del resultado. La fuerza y la aceleración son opuestas al campo por tratarse de un electrón.
60

Campo y potencial en un vértice de un triángulo

Una carga \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \(A=(0,0)\), otra \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(B=(0{,}30,0)\ \mathrm{m}\), y el punto \(P=(0,0{,}40)\ \mathrm{m}\). Calcula el potencial y el campo eléctrico en P.

+3 -2 P 0,40 m 0,30 m 0,50 m E₁ E₂
Las distancias 0,40 m y 0,50 m permiten calcular las dos contribuciones y descomponer el campo de la carga negativa.

Las distancias son \(AP=0{,}40\ \mathrm{m}\) y \(BP=0{,}50\ \mathrm{m}\). El triángulo es 3-4-5.

Qué debe ocurrir

El potencial se suma escalarmente. Para el campo, \(\vec E_1\) apunta hacia arriba y \(\vec E_2\) desde P hacia la carga negativa.

Herramienta matemática

\[V_P=k\left(\dfrac{3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40}-\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}50}\right)\]\[E_1=k\dfrac{3{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40^2},\qquad E_2=k\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}50^2}\]

\[V_P=3{,}15\cdot10^4\ \mathrm{V}\]\[\vec E_1=(0\,\hat\imath+1{,}69\cdot10^5\,\hat\jmath)\ \mathrm{N/C}\]\[\vec E_2=(4{,}32\cdot10^4\,\hat\imath-5{,}75\cdot10^4\,\hat\jmath)\ \mathrm{N/C}\]\[\vec E=(4{,}32\cdot10^4\,\hat\imath+1{,}11\cdot10^5\,\hat\jmath)\ \mathrm{N/C}\]\[|\vec E|=1{,}19\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]

Resultado. \(V_P\approx3{,}15\cdot10^4\ \mathrm{V}\) y \(\vec E\approx(4{,}32\cdot10^4\,\hat\imath+1{,}11\cdot10^5\,\hat\jmath)\ \mathrm{N/C}\).
La física detrás del número. El campo queda en el primer cuadrante y forma aproximadamente \(68{,}8^\circ\) con el eje x.
61

Centro de un cuadrado con cargas alternas

Pregunta. Cuatro cargas de igual módulo ocupan los vértices de un cuadrado con signos alternos \(+,-,+,-\). Calcula campo y potencial en el centro.

+ - - + C
Las cargas de igual signo ocupan vértices opuestos. En el centro se anulan tanto el potencial como el campo por simetría.

Las cargas del mismo signo ocupan vértices opuestos y las de signo contrario quedan en vértices contiguos.

El potencial se anula por suma algebraica. Los campos también se cancelan por simetría central.

\[V=k\sum_i\dfrac{Q_i}{r},\qquad \vec E=\sum_i\vec E_i\]

\[V=0,\qquad \vec E=0\]

La solución. En el centro, \(V=0\) y \(\vec E=0\).
Que ambas magnitudes se anulen en un punto no significa que el campo sea nulo en toda la región.
62

Punto de campo nulo y potencial en ese punto

Objetivo. Dos cargas \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(+9{,}0\ \mu\mathrm{C}\) están separadas \(0{,}50\ \mathrm{m}\). Calcula el punto de campo nulo y el potencial allí.

E(P) = 0, pero V(P) > 0 +4 +9 P 0,20 m 0,30 m E de +4 E de +9
Los campos se cancelan vectorialmente porque tienen igual módulo y sentidos opuestos. Los potenciales, ambos positivos, se suman.

El punto de campo nulo está a \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de la carga menor y \(0{,}30\ \mathrm{m}\) de la mayor.

Después de hallar el punto, se suman los potenciales.

Herramienta matemática

\[V=k\left(\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20}+\dfrac{9{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}30}\right)\]

Cerramos la cuenta

\[V=8{,}99\cdot10^9(2{,}0\cdot10^{-5}+3{,}0\cdot10^{-5})=4{,}50\cdot10^5\ \mathrm{V}\]

Conclusión. El campo se anula a \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de la carga menor y allí \(V\approx4{,}50\cdot10^5\ \mathrm{V}\).
El dibujo confirma. Campo nulo y potencial nulo son condiciones distintas.
63

Punto de potencial nulo entre cargas opuestas

Situación. Una carga \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y otra \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) están separadas \(0{,}60\ \mathrm{m}\). Calcula el punto interior donde el potencial es cero.

V(P) = 0, pero E(P) ≠ 0 +4 −2 P 0,40 m 0,20 m E de +4 E de −2
En el punto interior donde el potencial se anula, los dos campos apuntan hacia la carga negativa y, por tanto, no se cancelan.

Sea \(x\) la distancia desde la carga positiva.

El potencial se anula cuando las contribuciones tienen igual módulo.

Una relación basta

\[\dfrac{4}{x}=\dfrac{2}{0{,}60-x}\]

\[4(0{,}60-x)=2x\Rightarrow x=0{,}40\ \mathrm{m}\]

Con estas cuentas. El potencial se anula a \(0{,}40\ \mathrm{m}\) de la carga positiva y \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de la negativa.
Interpretación. En ese punto el campo no se anula; ambas contribuciones apuntan hacia la carga negativa.
64

Trabajo debido a dos cargas fuente

Caso propuesto. Dos cargas fijas \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(-1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) crean potenciales \(V_A=2{,}0\cdot10^4\ \mathrm{V}\) y \(V_B=-5{,}0\cdot10^3\ \mathrm{V}\). Calcula el trabajo del campo al mover \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) de A a B.

A B q = +4 μC Vₐ = 2·10⁴ V Vᵦ = -5·10³ V W = q(Vₐ-Vᵦ)
No es necesario conocer el camino ni la geometría de las cargas fuente cuando se conocen los potenciales de los extremos.

Ubicamos los datos

\(q=4{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\).

El signo decide el sentido

El trabajo depende solo de los potenciales de los extremos.

\[W_e=q(V_A-V_B)\]

Cuenta

\[W_e=4{,}0\cdot10^{-6}(2{,}0\cdot10^4+5{,}0\cdot10^3)=0{,}100\ \mathrm{J}\]

Así queda. \(W_e=0{,}100\ \mathrm{J}\).
Antes de seguir. La energía potencial disminuye en 0,100 J.
65

Punto de retorno de una carga positiva

Una partícula \(+1{,}0\ \mu\mathrm{C}\), de masa \(2{,}0\ \mathrm{g}\), se lanza desde \(0{,}50\ \mathrm{m}\) hacia una carga fija \(+5{,}0\ \mu\mathrm{C}\) con \(v_0=6{,}0\ \mathrm{m/s}\). Calcula la distancia mínima.

+5 +q P v0 regreso r0 = 0,50 m r min = 0,357 m
La repulsión frena la partícula hasta anular su velocidad en la distancia mínima; después invierte el movimiento.

En el punto de retorno la velocidad se anula, pero la fuerza eléctrica no tiene por qué hacerlo.

Escala y unidades

En el punto más próximo, la velocidad es cero.

Se conserva la energía mecánica.

Modelo elegido

\[\frac12mv_0^2+k\dfrac{Qq}{r_0}=k\dfrac{Qq}{r_{min}}\]

\[0{,}036+0{,}0899=\dfrac{0{,}04495}{r_{min}}\Rightarrow r_{min}=0{,}357\ \mathrm{m}\]

Respuesta física. \(r_{min}\approx0{,}357\ \mathrm{m}\).
Lectura física. La partícula no llega a la carga porque la repulsión transforma su energía cinética en potencial.
66

Órbita circular clásica de un electrón

Punto de partida. En el modelo clásico, un electrón describe una órbita circular de radio \(5{,}29\cdot10^{-11}\ \mathrm{m}\) alrededor de un protón. Calcula su velocidad y periodo.

p⁺ e⁻ v Fₑ r
En el modelo clásico, la fuerza eléctrica atractiva actúa como fuerza centrípeta y es perpendicular a la velocidad.

La fuerza eléctrica actúa como fuerza centrípeta.

Comprobación previa

Se igualan Coulomb y centrípeta.

Modelo elegido

\[k\dfrac{e^2}{r^2}=m_e\dfrac{v^2}{r},\qquad T=\dfrac{2\pi r}{v}\]

\[v=\sqrt{\dfrac{ke^2}{m_er}}=2{,}19\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\]\[T=1{,}52\cdot10^{-16}\ \mathrm{s}\]

La respuesta. \(v\approx2{,}19\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\) y \(T\approx1{,}52\cdot10^{-16}\ \mathrm{s}\).
Qué conviene recordar. Es un modelo clásico útil para relacionar fuerza eléctrica y movimiento circular. No describe la estabilidad ni los estados reales del átomo, que requieren mecánica cuántica.
67

Carga cuantizada en una experiencia tipo Millikan

Una gota de masa \(7{,}35\cdot10^{-15}\ \mathrm{kg}\) queda suspendida en un campo de \(3{,}00\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\). Calcula el módulo de su carga y exprésalo en múltiplos de e.

gota Fₑ mg |q|E = mg |q| = ne
La fuerza eléctrica equilibra al peso. El cociente |q|/e debe resultar próximo a un número entero.

Magnitudes conocidas

El campo se orienta para que la fuerza eléctrica sea ascendente.

Qué magnitudes se relacionan

En equilibrio, \(|q|E=mg\).

\[|q|=\dfrac{mg}{E}\]

Cuentas

\[|q|=\dfrac{7{,}35\cdot10^{-15}\cdot9{,}81}{3{,}00\cdot10^4}=2{,}40\cdot10^{-18}\ \mathrm{C}\]\[\dfrac{|q|}{e}=15{,}0\]

El dato final. \(|q|\approx2{,}40\cdot10^{-18}\ \mathrm{C}=15e\).
Control final. El cociente es exactamente compatible, dentro del redondeo de los datos, con quince cargas elementales.
68

Deflexión completa de un electrón entre placas

Qué se pide. Un electrón entra por el centro de placas de longitud \(0{,}060\ \mathrm{m}\), separadas \(0{,}020\ \mathrm{m}\), con \(v_x=5{,}0\cdot10^6\ \mathrm{m/s}\). La diferencia de potencial es \(2{,}0\ \mathrm{V}\). Calcula si choca y el ángulo de salida.

+ - e⁻ vₓ y = 1,27 mm
El electrón se curva en sentido contrario al campo. La desviación final se compara con la semiseparación de las placas.

Punto de partida

\(E=\Delta V/d=100\ \mathrm{V/m}\).

Se calcula la desviación al final y se compara con la semiseparación de 1 cm.

La ley que usamos

\[t=\dfrac{L}{v_x},\qquad a=\dfrac{eE}{m_e},\qquad y=\frac12at^2,\qquad \tan\theta=\dfrac{v_y}{v_x}\]

Hasta el valor final

\[t=1{,}20\cdot10^{-8}\ \mathrm{s}\]\[y=1{,}27\cdot10^{-3}\ \mathrm{m}\]\[v_y=2{,}11\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\]\[\theta=2{,}42^\circ\]

La desviación es \(1{,}27\ \mathrm{mm}\), no choca, y sale con \(\theta\approx2{,}42^\circ\).
Orden de magnitud. La desviación es muy inferior a la semiseparación de 10 mm.
69

Interpretación de las gráficas de E y V

Compara cómo varían el campo y el potencial de una carga positiva al duplicar y cuadruplicar la distancia.

x E, V E ∝ 1/r² V ∝ 1/r
Ambas magnitudes disminuyen con r para una carga positiva, pero el campo lo hace más deprisa por depender de 1/r².

\(E\propto1/r^2\) y \(V\propto1/r\).

Se aplican razones de escala.

\[E(2r)=\dfrac{E(r)}{4},\quad E(4r)=\dfrac{E(r)}{16}\]\[V(2r)=\dfrac{V(r)}{2},\quad V(4r)=\dfrac{V(r)}{4}\]

El campo decrece más deprisa que el potencial.

Al duplicar la distancia, E se divide por 4 y V por 2. Al cuadruplicarla, E se divide por 16 y V por 4.
Control de unidades. Las dos magnitudes tienden a cero al aumentar r, pero el campo lo hace más rápidamente.
70

Modelo tipo PAU de elaboración propia: dos cargas

Problema. Dos cargas \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y \(-1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) están en \(x=0\) y \(x=0{,}60\ \mathrm{m}\). En \(P\), situado en \(x=0{,}20\ \mathrm{m}\), calcula campo, potencial, fuerza sobre \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) y trabajo para llevarla desde P hasta el infinito.

+4 P -1 0,20 m 0,40 m q de prueba = +2 μC E1 E2
En P, ambos campos apuntan hacia la derecha. El potencial se suma con el signo de cada carga.

En una respuesta PAU, el dibujo y el convenio de signos forman parte de la solución; no son un adorno.

Situamos las cargas

Las distancias a P son \(0{,}20\ \mathrm{m}\) y \(0{,}40\ \mathrm{m}\).

Sentidos y signos

En P, los dos campos apuntan a la derecha. El potencial se suma con signos.

\[E_P=k\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20^2}+k\dfrac{1{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40^2}\]\[V_P=k\left(\dfrac{4{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}20}-\dfrac{1{,}0\cdot10^{-6}}{0{,}40}\right)\]

\[E_P=9{,}55\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\]\[V_P=1{,}57\cdot10^5\ \mathrm{V}\]\[F=qE=1{,}91\ \mathrm{N}\]\[W_e=q(V_P-0)=0{,}315\ \mathrm{J}\]

Se obtiene. \(E_P=9{,}55\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\) a la derecha, \(V_P=1{,}57\cdot10^5\ \mathrm{V}\), \(F=1{,}91\ \mathrm{N}\) y \(W_e=0{,}315\ \mathrm{J}\).
Comprobación rápida. Las cuatro respuestas son coherentes: una carga positiva recibe fuerza a la derecha y el campo puede realizar trabajo positivo al alejarla hasta el infinito.

Bloque 6. Flujo eléctrico y ley de Gauss

71

Flujo a través de una superficie plana

El cálculo. Un campo uniforme de \(3{,}0\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\) atraviesa una superficie plana de \(2{,}0\cdot10^{-2}\ \mathrm{m^2}\). El campo forma \(60^\circ\) con la normal. Calcula el flujo.

nE60°
El ángulo del flujo se mide entre el campo y la normal a la superficie.

El ángulo del flujo se mide con la normal. Si se toma con el plano, seno y coseno quedan intercambiados.

Superficie y normal

\(E=3{,}0\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\), \(A=2{,}0\cdot10^{-2}\ \mathrm{m^2}\) y \(\theta=60^\circ\).

Simetría disponible

El campo es uniforme y la superficie plana, de modo que basta proyectar el vector superficie sobre E.

Ley de Gauss

\[\Phi_E=EA\cos\theta\]

\[\Phi_E=3{,}0\cdot10^4\cdot2{,}0\cdot10^{-2}\cdot\cos60^\circ=3{,}0\cdot10^2\ \mathrm{N\,m^2/C}\]

Valor buscado. \(\Phi_E=300\ \mathrm{N\,m^2/C}\).
Revisión. Al formar 60° con la normal, el flujo es la mitad del valor máximo EA.
72

Flujo neto de una carga encerrada

Una superficie cerrada encierra una carga \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Calcula el flujo eléctrico neto, aunque la carga no esté en el centro.

+qflujo saliente
El flujo neto depende de la carga encerrada, no de la forma de la superficie ni de la posición de la carga dentro de ella.

\(Q_{int}=2{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{C}\).

La idea física

Para el flujo total de una superficie cerrada se aplica directamente la ley de Gauss.

\[\Phi_E=\dfrac{Q_{int}}{\varepsilon_0}\]

En números

\[\Phi_E=\dfrac{2{,}0\cdot10^{-6}}{8{,}854\cdot10^{-12}}=2{,}26\cdot10^5\ \mathrm{N\,m^2/C}\]

\(\Phi_E\approx2{,}26\cdot10^5\ \mathrm{N\,m^2/C}\), saliente.
Una comprobación. El signo es positivo porque la carga neta encerrada es positiva.
73

Campo de una lámina infinita cargada

Pregunta. Una lámina aislante ideal tiene densidad superficial uniforme \(\sigma=4{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{C/m^2}\). Calcula el campo a cada lado.

+ + + + + + +EE
Por simetría, el campo es perpendicular a la lámina, tiene el mismo módulo a ambos lados y sale de una densidad positiva.

Gauss simplifica este problema porque la simetría mantiene constante el módulo del campo sobre la superficie elegida.

Distancias y signos

\(\sigma=4{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{C/m^2}\).

Una superficie gaussiana en forma de pastilla corta la lámina y recibe flujo por sus dos tapas.

Relaciones necesarias

\[2EA=\dfrac{\sigma A}{\varepsilon_0}\qquad\Rightarrow\qquad E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}\]

\[E=\dfrac{4{,}0\cdot10^{-8}}{2\cdot8{,}854\cdot10^{-12}}=2{,}26\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\]

En cifras. \(E\approx2{,}26\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\) a cada lado, dirigido hacia fuera.
En el modelo infinito, el campo no depende de la distancia a la lámina.
74

Campo entre dos placas extensas opuestas

Objetivo. Dos placas ideales, paralelas y muy extensas tienen densidades \(+\sigma\) y \(-\sigma\), con \(\sigma=3{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{C/m^2}\). Calcula el campo entre ellas y en el exterior.

−σE = σ/ε₀E = 0E = 0
Entre las placas los dos campos tienen el mismo sentido; fuera, tienen módulos iguales y sentidos opuestos.

\(\sigma=3{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{C/m^2}\).

Qué buscamos

Se superponen los campos \(\sigma/(2\varepsilon_0)\) creados por cada placa.

La ecuación que conecta ambos

\[E_{interior}=\dfrac{\sigma}{\varepsilon_0},\qquad E_{exterior}=0\]

\[E_{interior}=\dfrac{3{,}0\cdot10^{-8}}{8{,}854\cdot10^{-12}}=3{,}39\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\]

Numéricamente. Entre las placas, \(E\approx3{,}39\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\), de la positiva a la negativa; en el exterior, \(E=0\).
El resultado ideal ignora los efectos de borde, válidos solo lejos de los extremos de las placas.
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Campo de un hilo largo con carga uniforme

Situación. Un hilo rectilíneo muy largo tiene densidad lineal \(\lambda=2{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{C/m}\). Calcula el campo a \(0{,}050\ \mathrm{m}\).

+E(r)r
La simetría cilíndrica hace que el campo tenga el mismo módulo a igual distancia del hilo y sea radial.

Distancias y signos

\(\lambda=2{,}0\cdot10^{-8}\ \mathrm{C/m}\) y \(r=0{,}050\ \mathrm{m}\).

Qué debe compararse

Se usa un cilindro gaussiano coaxial. Solo aporta flujo la superficie lateral.

Relaciones necesarias

\[E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}\qquad\Rightarrow\qquad E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0r}\]

\[E=\dfrac{2{,}0\cdot10^{-8}}{2\pi\cdot8{,}854\cdot10^{-12}\cdot0{,}050}=7{,}19\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\]

\(E\approx7{,}19\cdot10^3\ \mathrm{N/C}\), radial y hacia fuera.
Para un hilo ideal, el campo decrece como \(1/r\), no como \(1/r^2\).

Errores frecuentes

Usar r en lugar de r²

Fuerza y campo dependen de \(1/r^2\). Potencial y energía potencial dependen de \(1/r\).

Olvidar el signo de la carga

En potencial y energía se sustituye con signo. En fuerza y campo, el signo determina el sentido.

Sumar vectores como números

En el plano hay que trabajar con componentes o aprovechar la simetría.

Confundir campo y fuerza

El campo pertenece al punto del espacio. La fuerza depende además de la carga colocada allí.

Interpretar mal el trabajo

El trabajo del campo es \(-\Delta U\). El trabajo externo cuasiestático es \(+\Delta U\).

Usar la altura o el lado equivocado

En triángulos y cuadrados conviene calcular la distancia real antes de aplicar la fórmula.

Olvidar el signo del electrón

La fuerza y la aceleración de un electrón son opuestas al campo.

No comprobar el resultado

La dirección, el signo del potencial y el orden de magnitud permiten detectar muchos errores.

Medir el ángulo con el plano

En el flujo, el coseno utiliza el ángulo entre el campo y la normal a la superficie.

Intentar despejar E sin simetría

La ley de Gauss es general, pero solo permite sacar E de la integral cuando la geometría mantiene su módulo y orientación de forma controlada.

10 ejercicios propuestos

  1. Dos cargas \(+3\ \mu\mathrm{C}\) y \(-5\ \mu\mathrm{C}\) están separadas \(0{,}25\ \mathrm{m}\). Calcula la fuerza.
  2. Halla el campo a \(0{,}40\ \mathrm{m}\) de una carga \(-6\ \mu\mathrm{C}\).
  3. Dos cargas positivas \(+Q\) y \(+4Q\) están separadas \(0{,}60\ \mathrm{m}\). Localiza el punto interior de campo nulo.
  4. Calcula el potencial en el centro de un cuadrado de lado \(0{,}20\ \mathrm{m}\) con cuatro cargas \(+1\ \mu\mathrm{C}\).
  5. Una carga \(+2\ \mu\mathrm{C}\) se mueve de \(300\ \mathrm{V}\) a \(-200\ \mathrm{V}\). Calcula el trabajo del campo.
  6. Un electrón atraviesa \(500\ \mathrm{V}\) partiendo del reposo. Calcula su velocidad.
  7. Dos placas separadas \(3\ \mathrm{cm}\) mantienen \(900\ \mathrm{V}\). Calcula el campo y la fuerza sobre un protón.
  8. Una gota de masa \(5\cdot10^{-15}\ \mathrm{kg}\) posee carga \(-4e\). Calcula el campo vertical necesario para mantenerla suspendida.
  9. Un campo uniforme de \(2{,}5\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\) atraviesa una superficie de \(1{,}2\cdot10^{-2}\ \mathrm{m^2}\) y forma \(30^\circ\) con la normal. Calcula el flujo.
  10. Una superficie cerrada encierra una carga neta de \(+3{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Calcula el flujo neto y explica si cambia al desplazar la carga dentro de la superficie.

Resultados de los ejercicios propuestos

  1. \(F=2{,}16\ \mathrm{N}\), atractiva.
  2. \(E=3{,}37\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\), hacia la carga.
  3. A \(0{,}20\ \mathrm{m}\) de la carga Q.
  4. \(V=2{,}54\cdot10^5\ \mathrm{V}\).
  5. \(W_e=1{,}0\cdot10^{-3}\ \mathrm{J}\).
  6. \(v=1{,}33\cdot10^7\ \mathrm{m/s}\).
  7. \(E=3{,}0\cdot10^4\ \mathrm{V/m}\), \(F=4{,}81\cdot10^{-15}\ \mathrm{N}\).
  8. \(E=7{,}65\cdot10^4\ \mathrm{N/C}\), dirigido hacia abajo.
  9. \(\Phi_E\approx2{,}60\cdot10^2\ \mathrm{N\,m^2/C}\).
  10. \(\Phi_E\approx3{,}39\cdot10^5\ \mathrm{N\,m^2/C}\); no cambia mientras la carga siga encerrada.

Hoja de seguimiento

Úsala después de los propuestos. No basta con marcar un acierto: anota qué decisión te hizo perder tiempo y vuelve al mismo tipo de problema unos días después.

Seguimiento por partes del tema
Parte Primer intento Corrección Segundo intento Error que no repetiré
Coulomb y fuerza  
Campo y superposición  
Potencial, energía y trabajo  
Placas y movimiento  
Conductores  
Flujo y Gauss  

Simulacro tipo PAU de elaboración propia

Tiempo orientativo: 90 minutos. Puntuación: 2 puntos por problema. Escribe el dibujo, el convenio de signos, la ley empleada y la respuesta con unidades.

Problema 1 · Dos cargas en una recta

Una carga \(+5{,}0\ \mu\mathrm{C}\) está en \(x=0\) y otra \(-2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) en \(x=0{,}50\ \mathrm{m}\). Calcula el campo y el potencial en \(P\), situado en \(x=0{,}20\ \mathrm{m}\). Indica el sentido del campo.

Problema 2 · Partícula entre placas

Un protón entra por el centro de dos placas con velocidad horizontal \(4{,}0\cdot10^5\ \mathrm{m/s}\). Las placas miden \(0{,}080\ \mathrm{m}\), están separadas \(0{,}040\ \mathrm{m}\) y crean un campo vertical uniforme de \(500\ \mathrm{N/C}\). Calcula el tiempo dentro del campo, la desviación, el ángulo de salida y el aumento de energía cinética.

Problema 3 · Simetría en un cuadrado

Cuatro cargas de igual módulo \(Q=2{,}0\ \mu\mathrm{C}\) ocupan los vértices de un cuadrado de lado \(0{,}30\ \mathrm{m}\), con signos alternos. Razona el campo y el potencial en el centro y calcula el trabajo del campo al llevar una carga \(+1{,}0\ \mu\mathrm{C}\) desde el centro hasta el infinito.

Problema 4 · Punto de retorno

Una partícula de carga \(+0{,}50\ \mu\mathrm{C}\) y masa \(1{,}5\ \mathrm{g}\) se lanza con \(4{,}0\ \mathrm{m/s}\), desde \(0{,}60\ \mathrm{m}\), hacia una carga fija \(+4{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Halla la distancia mínima y explica por qué invierte el movimiento.

Problema 5 · Conductor y ley de Gauss

Una esfera conductora maciza de radio \(0{,}080\ \mathrm{m}\) posee carga \(+2{,}0\ \mu\mathrm{C}\). Obtén \(E\) y \(V\) en \(r=0{,}040\ \mathrm{m}\), justo fuera de la superficie y en \(r=0{,}20\ \mathrm{m}\). Calcula también el flujo de las tres superficies gaussianas.

Resultados para corregir. 1) \(\vec E=1{,}32\cdot10^6\ \mathrm{N/C}\) hacia la derecha y \(V=1{,}65\cdot10^5\ \mathrm{V}\). 2) \(t=2{,}00\cdot10^{-7}\ \mathrm{s}\), \(y=9{,}58\cdot10^{-4}\ \mathrm{m}\), \(\theta=1{,}37^\circ\) y \(\Delta K=7{,}67\cdot10^{-20}\ \mathrm{J}\). 3) \(\vec E=0\), \(V=0\) y \(W_e=0\). 4) \(r_{min}=0{,}428\ \mathrm{m}\). 5) \(E=0\), \(V=2{,}25\cdot10^5\ \mathrm{V}\) y \(\Phi=0\) en \(r=0{,}040\ \mathrm{m}\); justo fuera, \(E=2{,}81\cdot10^6\ \mathrm{N/C}\), \(V=2{,}25\cdot10^5\ \mathrm{V}\) y \(\Phi=2{,}26\cdot10^5\ \mathrm{N\,m^2/C}\); en \(r=0{,}20\ \mathrm{m}\), \(E=4{,}50\cdot10^5\ \mathrm{N/C}\), \(V=8{,}99\cdot10^4\ \mathrm{V}\) y el mismo flujo saliente.

Criterio de autocorrección. Reserva 2 puntos por ejercicio: 0,4 por el dibujo y los signos; 0,4 por elegir la relación física; 0,6 por el desarrollo; 0,4 por unidades, dirección y precisión; 0,2 por la comprobación final.

Biblioteca Marlu Educativa · Física

Qué estudiar después

Si quieres comprobar si distingues bien los modelos, termina con el examen de Física. Para reforzar la analogía entre campos, continúa con gravitación; si el siguiente paso son cargas en movimiento, corrientes e inducción, pasa al cuaderno magnético.

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Si necesitas ordenar el tema, corregir planteamientos o preparar una prueba concreta, en Marlu Educativa trabajamos cada problema con dibujo, decisión física, cálculo y revisión.

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Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre campo y fuerza?

El campo describe la influencia eléctrica en un punto. La fuerza es la interacción concreta sobre una carga colocada allí y cumple \(\vec F=q\vec E\).

¿Cuándo aparece r²?

En la ley de Coulomb y en el campo de una carga puntual. En potencial y energía potencial aparece r.

¿El campo puede ser cero y el potencial no?

Sí. Ocurre, por ejemplo, en el punto medio de dos cargas positivas iguales.

¿El potencial puede ser cero y el campo no?

Sí. En el punto medio de un dipolo los potenciales se cancelan y los campos se suman.

¿Qué sentido tiene la fuerza sobre un electrón?

Es contrario al campo eléctrico porque la carga del electrón es negativa.

¿Sirve para PAU/EBAU?

Sí. Incluye teoría, dibujos, problemas graduados, situaciones completas y un simulacro final.

Biblioteca Marlu Educativa. Recurso revisado por el equipo académico y editorial de Marlu Educativa, conforme al Método Marlu y con coordinación docente de José María.

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