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Supuesto 18

Aragón 2025 ·

Enunciado

Cuando una carga qq se mueve sobre la mediatriz de un segmento definido por dos cargas iguales QQ, la fuerza a la que está sometida depende de la distancia al punto medio del segmento.

  • a) (6p) Calcule la distancia que hace máxima esa fuerza y el valor de dicha fuerza.
  • b) (4p) Calcule el trabajo electrostático sobre la carga qq al moverla desde el punto de máxima fuerza sobre la mediatriz hasta el punto medio del segmento. Interprete el signo.

Solución

a) Distancia y valor de la fuerza máxima

Situamos las cargas QQ en (±a,0)(\pm a, 0) —el segmento mide 2a2a— y la carga qq en (0,y)(0, y) sobre la mediatriz. Cada carga la atrae o repele con módulo kQq/(a2+y2)kQq/(a^2+y^2); por simetría las componentes horizontales se cancelan y solo sobreviven las verticales, cada una multiplicada por cos⁡β=y/a2+y2\cos\beta = y/\sqrt{a^2+y^2}:

F(y)=2 kQqa2+y2⋅ya2+y2=2kQq y(a2+y2)3/2F(y) = 2\,\frac{kQq}{a^2+y^2}\cdot\frac{y}{\sqrt{a^2+y^2}} = \frac{2kQq\,y}{(a^2+y^2)^{3/2}}

El máximo se obtiene derivando e igualando a cero:

dFdy=2kQq (a2+y2)−3y2(a2+y2)5/2=0  ⟹  a2=2y2  ⟹   y=a2 \frac{\mathrm{d}F}{\mathrm{d}y} = 2kQq\,\frac{(a^2+y^2)-3y^2}{(a^2+y^2)^{5/2}} = 0 \;\Longrightarrow\; a^2 = 2y^2 \;\Longrightarrow\; \boxed{\,y = \frac{a}{\sqrt2}\,}

Sustituyendo:

Fmaˊx=2kQq (a/2)(3a22)3/2=433 kQqa2=0,770 kQqa2F_\text{máx} = \frac{2kQq\,(a/\sqrt2)}{\left(\frac{3a^2}{2}\right)^{3/2}} = \frac{4}{3\sqrt3}\,\frac{kQq}{a^2} = 0{,}770\,\frac{kQq}{a^2}

El comportamiento tiene sentido en los dos límites: en el punto medio (y=0y=0) la fuerza es nula por simetría, y muy lejos (y→∞y\to\infty) tiende a cero como 1/y21/y^2; entre medias hay necesariamente un máximo.

b) Trabajo electrostático

El potencial creado por las dos cargas sobre la mediatriz es V(y)=2kQa2+y2V(y) = \dfrac{2kQ}{\sqrt{a^2+y^2}}, de modo que

Wi→f=q(Vi−Vf)=q(2kQa2+a2/2−2kQa)=kQqa(263−2)W_{i\to f} = q\left(V_i - V_f\right) = q\left(\frac{2kQ}{\sqrt{a^2 + a^2/2}} - \frac{2kQ}{a}\right) = \frac{kQq}{a}\left(\frac{2\sqrt6}{3} - 2\right) W=−0,367 kQqaW = -0{,}367\,\frac{kQq}{a}

Interpretación del signo. Para cargas del mismo signo (fuerza repulsiva), el trabajo de la fuerza electrostática es negativo: se está llevando la carga hacia las cargas fuentes, en contra de la repulsión, así que la energía potencial aumenta y debe ser un agente externo quien aporte esa energía. Consecuentemente, si se soltara la carga en el punto medio, el sistema devolvería espontáneamente ese trabajo acelerando qq a lo largo de la mediatriz. (Si QQ y qq tuvieran signos opuestos, todos los signos se invertirían y el trabajo electrostático sería positivo.)

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