EJERCICIOS DEL CAPÍTULO 6 - ELECTROSTÁTICA

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1 EJERCICIOS DEL CAPÍTULO 6 - ELECTROSTÁTICA C6. 1 Calcular el campo eléctrico E en el centro del cuadrado, así como la diferencia de potencial entre los puntos A y B. Resp.: E = ; V A -V B = 0 C6. 2 En la figura representamos 4 partículas cargadas con cargas de módulo 1 µ C y situadas en un plano vertical; las cargas A,B y C, positivas, son fijas y la D, negativa, está libre, pero permanece en equilibrio entre los campos eléctricos creados por las cargas y el peso de la partícula D. Averigüe su masa; Explique qué ocurriría si desplazáramos un poco la carga D; (1) hacia arriba; (2) hacia abajo. ES 3. Dos pequeñas esferas cargadas con la misma carga q (las suponemos puntuales) están suspendidas del mismo punto por hilos (de masa despreciable) de longitud=120. Las cagas están separadas 5 cm. Calcular el valor de la carga q. Ejercicios capítulo 6. Página 1

2 C6. 4 Calcular el trabajo exterior realizado para trasladar una carga de 2 µ C de A a B sabiendo que el hilo está cargado con una densidad lineal no uniforme σ = λ x y siendo λ =10 µ C/cm2. queda: ; y haciendo u d2 + x2, e integrando nos, y, luego el trabajo W será: W = Q(V B -V A ) Se puede hacer calculando la circulación del vector E: y numéricamente:.. El vector de y lo descomponemos en 2: uno en dirección AB y el otro paralelo a la varilla (estos últimos se anulan por simetría). Luego,, y, y finalmente, y numéricamente:. Ejercicios capítulo 6. Página 2

3 C6. 5 a) Una varilla recta y muy larga está cargada con una densidad lineal λ =10. x µ C/m. Calcular el campo eléctrico en los puntos P1 y P2 b) Calcular el trabajo necesario para arrastrar una carga de 0.2 C desde P 2 hasta P 1. (OP 1 =5 cm; OP 2 =2.5 cm). C6. 6 Calcular el campo eléctrico E en el centro de la semi-circunferencia estando ésta cargada de manera uniforme con + 4 mc y siendo el radio de 2 cm.. C6. 7 Un protón se libera en reposo dentro de un campo eléctrico uniforme E=100 V/m. Calcule la velocidad alcanzada por dicha partícula al cabo de 0.5 s y el espacio recorrido en el mismo tiempo. Resp.: v 2.99 x 10 8 m/s; r km. C6. 8 Hallar la diferencia de potencial eléctrico entre P1 y P2 sabiendo que el conductor delgado está cargado con una densidad lineal constante, λ. Aplicación: λ =0.5 µ C/m; b=10 cm; d 1 =10 cm; d 2 = 5 cm. Ejercicios capítulo 6. Página 3

4 ; C6. 9 Una lámina delgada rectangular (figura) está cargada uniformemente con una densidad superficial σ. a - Deduzca la expresión del potencial en el punto P.! Esta última integral no es fácil ; C6. 10 Si la carga q se encuentra en la misma recta que la varilla, que tiene una carga Q distribuída uniformemente (se supone que la presencia de q no altera la distribución de Q). Calcular la fuerza de repulsión entre ambas cargas y la d.d.p. entre los extremos de la varilla. Ejercicios capítulo 6. Página 4

5 la fuerza tendrá la dirección de AB y será atractiva o repulsiva según los signos de Q y q. Como las fuerzas df van todas en la misma dirección, las puedo sumar escalarmente: ; y sustituyendo las letras por sus valores, nos queda: La d.d.p. V A - V B dependerá únicamente de la carga puntual q, puesto que la carga de la varilla al estar distribuida uniformemente no contribuye a la d.d.p. total. Luego: C6. 11 Un anillo de radio a está cargado con una densidad de carga constante λ. En un punto P del eje y a una distancia b colocamos una carga puntual Q. a) Calcular el campo eléctrico E en el punto P; b) Calcular la fuerza F que actuará sobre la carga Q; c) Calcular el trabajo W PO que deberá realizar una fuerza exterior para llevar la carga Q desde P hasta O. Aplicación numérica: a = 2 cm; b = 3 cm; Q = 2 µ C; λ = 0.5 µ C/m a) dq = λ ds; módulo de la fuerza elemental:, que debemos proyectar sobre el eje OP, ya que las componentes perpendiculares a dicho eje se anularán por simetría. Luego siendo q = λ 2π a la carga total del anillo; r2 = a2 + b2 y cos α = b/r con lo que finalmente nos quedará: Ejercicios capítulo 6. Página 5

6 y sustituyendo valores nos queda: F N (módulo) y E N/C. La dirección será la del eje y el sentido hacia la derecha (repulsión) por tratarse de cargas del mismo signo. b) y haciendo u = a 2 + x 2 para integrar nos queda finalmente: y sustituyendo los valores nos queda: C6. 12 La figura muestra un sistema formado por dos anillos finos y paralelos uniformemente cargados con cargas iguales pero de signo contrario. a) Calcular el trabajo exterior necesario para trasladar una carga de 2 C desde el punto A al punto B. b) Calcular el campo eléctrico en el centro O del sistema. Datos: r = 2.5 cm; a = 2 cm; d = 3.5 cm. a) ; y.poniendo los valores sale Ejercicios capítulo 6. Página 6

7 Lógicamente y por lo tanto. Finalmente el trabajo será: b) El E 1 debido a un anillo tendrá por módulo: y estará dirigido verticalmente hacia arriba. El campo E total será el doble de dirigido verticalmente hacia arriba: ; o sea: C6. 13 Determinar el campo eléctrico en el centro de una semiesfera cargada con una densidad superficial constante σ = -5 nc/cm 2. Explique previamente y de forma cualitativa porque no nos dan el radio de la semiesfera. (Se sugiere basarse en la expresión del E en un punto del eje de un anillo cargado uniformemente y descomponer la semiesfera en anillos). Si en el punto P colocamos una partícula con carga 1 µ C, Cuál será su masa para que quede en equilibrio sin caer? El área de uno de los anillos en que descomponemos la superficie semiesférica será: y la carga contenida en ese anillo será: eléctrico en un punto del eje del anillo tendremos que y aplicando la expresión del campo e integrando desde α = 0 a a = π /2 tendremos: y numéricamente E N/C La fuerza será: F = Q E, o sea F N. Esta fuerza ha de equilibrarse co la fuerza gravitatoria; luego: mg = F; y m = F/mg = kg. Ejercicios capítulo 6. Página 7

8 C6. 14 Determinar el campo eléctrico en un punto situado por encima de un plano muy extenso que tiene una densidad superficial constante σ = 5 µ C/cm 2. (Se sugiere basarse en la expresión del E en un punto del eje de un anillo cargado uniformemente y descomponer el plano en anillos). Igual que en el caso anterior podemos descomponer el plano en coronas circulares (anillos) muy delgadas aplicando a cada uno de ellos la expresión encontrada para el campo eléctrico producido por una carga en anillo en un punto de su eje. Obtenemos: C6. 15 Un electrón es acelerado en el vacío partiendo del reposo por diferencias de potencial de 5, 50 y 500 kv. Averigüe los correspondientes valores de la velocidad final. a) Si consideramos válida la Mecánica newtoniana: (con m constante). Aplicando esta última expresión tenemos que 1- Para V 1 - V 2 = 5000 V v x 10 8 m/s 2- Para V 1 - V 2 = V v x 10 8 m/s 3- Para V 1 - V 2 = V v x 10 8 m/s Evidentemente este último valor es inadmisible pues resulta superior a la velocidad de la luz en el vacío. b) Así pues, para velocidades muy elevadas la M. newtoniana no es adecuada. Plantearemos el problema con la Física Relativista. La masa m depende de la velocidad: Ejercicios capítulo 6. Página 8

9 y el principio de conservación de la energía en F.R. será: y sustituyendo m por su expresión anterior y despejando el valor de v queda: Aplicando esta expresión a los 3 casos obtenemos: 1- Para V 1 - V 2 = 5000 V v c; v x 10 8 m/s 2- Para V 1 - V 2 = V v c; v x 10 8 m/s 3- Para V 1 - V 2 = V v c; v x 10 8 m/s C6. 16 Calcular la distancia Y si el haz de electrones de un T.R.C.es desviado por una tensión Vd, siendo la tensión de aceleración de los electrones Va. Aplicación numérica: l = 3 cm; a = 2 cm; L = 25 cm; Va = 6 kv; Vd = 500 V Consideramos que el campo eléctrico es uniforme entre las placas desviadoras y cero fuera de ellas: E = Vd/a ; f = e E (módulos). El principio de conservación de la energía en un entorno no relativista (válido para un valor de Va de 6 kv) nos permite poner la velocidad de los electrones al penetrar entre las placas desviadoras, v 0 Ejercicios capítulo 6. Página 9

10 . Las ecuaciones paramétricas de la trayectoria son: y si eliminamos la variable t de ambas, nos quedará la ecuación de la trayectoria en función de x e y que será lógicamente una parábola: A la salida de las placas desviadoras (x = l) la coordenada y valdrá: A partir de este punto, la trayectoria será una recta tangente a la parábola en el punto de x = l:. y en esta última haremos x = l /2 + L y tendremos el valor que nos pedían: y con los valores numéricos que nos dan obtenemos: Y 1.57 cm C6. 17 En la zona del espacio que se representa en la figura, existe un campo eléctrico cuyas componentes son: (en V/m). Calcular: 1) Flujo total que atraviesa el cubo. 2) Carga eléctrica encerrada dentro del mismo. Aplicación: a = 2 cm. a) b) ó V.m Ejercicios capítulo 6. Página 10

11 C6. 18 Concéntrica con un cubo imaginario de 3 m de arista, tenemos una esfera conductora aislada, inicialmente descargada. La esfera tiene 40 cm de radio y se le comunica una carga positiva tal que adquiere un potencial de voltios respecto al infinito. Calcular el flujo eléctrico que atraviesa una de las caras del cubo. Aplicando Gauss: ; y para una cara el flujo será: C6. 19 Tenemos una esfera maciza de un material dieléctrico, cuya carga Q = 2 µ C está uniformemente repartida por su volumen. Rodeando a esta hay una corona esférica conductora que tiene una carga q = 4 µ C. Si R1= 1 cm; R2=2 cm; R3=3 cm, calcular el valor del campo eléctrico en puntos situados: a- dentro de la esfera aislante. b- en el espacio hueco. c- en el interior del conductor d- en las superficies interna y externa del conductor. e- en el exterior de ambos cuerpos. C6. 20 Tenemos 2 condensadores aislados uno de capacidad C 1 cargado con carga Q 1 y el otro de capacidad C 2 y carga Q 2. Si Unimos los 2 condensadores en paralelo, calcular la energía almacenada en las dos situaciones. a) b) y operando nos queda: Luego si V 1=V 2, W a=wb, pero si V 1 V 2 entonces: W a> W b. Cómo se explica? C6. 21 En un condensador aislado de placas plano-paralelas de 100 cm2, si las armaduras se alejan 5 cm, la diferencia de potencial entre ellas aumenta 400 V. Deduzca la carga en cada una de las armaduras del condensador. Se supone que el dieléctrico es aire. Ejercicios capítulo 6. Página 11

12 ; y de estas 2 relaciones: y de aquí despejamos el valor de: q 7.08 x C C6. 22 Un condensador cilíndrico con aire como dieléctrico tiene una capacidad C=10 pf, su longitud es L=6 cm y el radio de la armadura exterior es b=1.5 cm. Deduzca el valor del radio de la armadura interna, a. Resp.: a 1.07 cm C6. 23 Con condensadores de 1 µ F que pueden soportar 10 V, Cómo conseguiría una capacidad equivalente de 10 µ F que pudiera soportar 30 V? Resp.: n=90 condensadores C6. 24 Un condensador de armaduras plano-paralelas se carga a una d.d.p. de 120 V siendo aire el dieléctrico.. Cuando se introduce entre las armaduras una lámina de vidrio que llena dicho espacio, la d.d.p. cae a 80 V. Averigüe cual es la constante dieléctrica del vidrio utilizado. Con cuál de los dieléctricos tendremos más energía almacenada?. Resp.: ε r = 1.5; ε x (C 2 /Nm 2 ) C6. 25 Calcular la capacidad del sistema de la figura y la d.d.p. en cada condensador (todos iguales), siendo la d.d.p entre A y B de 3000 V. Ejercicios capítulo 6. Página 12

13 ; C4,5 = C6,7 = C8,9 = 2 µ F y estos 3 están en serie. Luego C4,..., 9 = 2/3 µ F. Este último en paralelo con C3 nos da: C3,4,,..., 9 = 5/3 µ F y este en serie con C1 y C2 da una capacidad total equivalente CT = 5/13 µ F. y V 1 =V 2 y naturalmente y _ C Calcular la energía total almacenada en el siguiente sistema de condensadores: C En una zona del espacio existe un campo eléctrico E=2xi. Una partícula de masa m y carga q se deja libre en el punto de coordenadas (2,0). Calcular la velocidad de dicha partícula en el punto (4.0). Ejercicios capítulo 6. Página 13

14 C Una barra de longitud L y con una densidad de carga eléctrica λ = cx (C/m)., siendo c una constante se encuentra sobre le eje OX con un extremo sobre el origen. a) Suponiendo que el potencial eléctrico en el infinito es cero, calcular el potencial en un punto P situado sobre el eje OY. b) Calcular el del campo eléctrico en el punto P. C En el espacio comprendido entre 2 cilindros largos y coaxiales de radios a y b (a<b) cargados con densidades lineales de carga -λ y +λ respectivamente, se encuentra una partícula de masa m y carga q girando en una trayectoria circular de radio r coaxial con los cilindros. a) Calcular la expresión de la velocidad de la partícula en función de los datos. b) Si la partícula es un deuterón (m=3.34 x kg; q=1.602 x C) y su velocidad es de 106 m/s, calcular λ y la d.d.p. entre los 2 cilindros, sabiendo que a=5 cm y b=6 cm. Respuestas: a) ; b) 1.16 mc/m; c) 3807 V C Dos esferas conductoras muy alejadas una de otra tienen 6 y 12 cm de radio respectivamente, si ambas tienen la misma carga (3x10-8 C), determine la d.d.p. entre ambas. Cuánta carga deberíamos traladar de una esfera a la otra para conseguir que la d.d.p. fuese cero? a) ; V B -V A = b) ; ; además C Una carga Q está distribuida uniformemente el volumen de una corona esférica de radio interno a y radio externo b. 1- Calcular el campo eléctrico en cualquier punto del espacio. 2- Calcular la d.d.p. entre las caras interna y externa de la corona. 3- Un electrón se mueve en dirección radial hacia la corona con velocidad v. Cuál debe ser el valor mínimo de v para que el electrón pueda atravesar el espesor de la corona? Ejercicios capítulo 6. Página 14

15 C6. 32 Calcular el campo eléctrico (módulo, dirección y sentido) en el punto O de la figura. Las cargas están repartidas de manera uniforme en cada cuarto de circunferencia. C6. 33 Tenemos una esfera conductora cargada con una carga Q. Rodeando la esfera hay una corona esférica también conductora sin carga eléctrica neta. Entre la esfera y la corona tenemos una diferencia de potencial V 0 (a mayor potencial la esfera). Determine la densidad superficial de carga en la esfera y en cada una de las superficies de la corona. Aplicación numérica: a = 2 cm; b = 3 cm; c = 4 cm; V 0 = 10 5 V. PREGUNTAS DE TEORÍA T1. Explique la causa de que con frecuencia cuando el conductor de un vehículo desciende del mismo e introduce las llaves para cerrar las puertas recibe una molesta descarga. Por qué esto se nota más en lugares y dias secos? T2. Si tenemos 2 cargas puntuales y en los puntos del segmento rectilíneo entre ambas no existe ningún punto en el que el campo eléctrico se anule, explique que se puede decir acerca de ambas cargas. T3. Si tenemos 2 cargas puntuales separadas un a distancia l, Hay puntos fuera de la recta que las une en que el campo eléctrico sea cero? Explíquelo. Ejercicios capítulo 6. Página 15