clases primer parcial( 2da parte fisica 2) potencial eléctrico

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JOSÉ PERAZA, FÍSICA 2 JOSÉ PERAZA, FÍSICA 2 JOSÉ PERAZA, FÍSICA 2 1 Energía Potencial eléctrica Recordemos que la diferencia en la energía potencial U cuando una partícula se mueve entre dos puntos a y b bajo la influencia de una fuerza , es igual al negativo del trabajo realizado por la fuerza esto es: Wab es el trabajo realizado por la fuerza cuando la partícula se mueve desde a hasta b, esto es valido solo si la fuerza es conservativa Luego para poder definir la energía potencial eléctrica, supongamos que tenemos dos cargas dispuestas como se muestran a continuación: (Figura 1) La carga q2 se mueve en relación a q1, por un desplazamiento , cuando una partícula cargada se mueve en un campo eléctrico , tenemos que: Ya que Como el campo está a lo largo del eje x entonces tenemos Si movemos la carga q2 respecto a la carga q1 tenemos que: La ecuación 1 se cumple ya sea que q2 se mueva hacia q1 o se aleje de ella, en el primer caso rb < ra, y en el segundo caso rb > ra, también se cumple para cualquier combinación de los signos de q1 y q2. En forma general la energía potencial eléctrica es una magnitud escalar u su unidad es el Joule (J). Energía potencial de un sistema de cargas puntuales. Supongamos que tenemos un sistema de cargas puntuales las cuales se mantienen en posiciones fijas por fuerzas no especificadas. (Figura 2 arreglo de cargas ) Podemos calcular la energía potencial eléctrica del sistema de la siguiente manera q2 q1 Q1 Q2 Q1 Q3 Q4 a a b b

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Page 1: Clases Primer Parcial( 2da Parte Fisica 2) Potencial Eléctrico

JOSÉ PERAZA, FÍSICA 2 JOSÉ PERAZA, FÍSICA 2 JOSÉ PERAZA, FÍSICA 2

1

Energía Potencial eléctrica

Recordemos que la diferencia en la energía

potencial ∆U cuando una partícula se mueve

entre dos puntos a y b bajo la influencia de una

fuerza , es igual al negativo del trabajo

realizado por la fuerza esto es:

Wab es el trabajo realizado por la fuerza

cuando la partícula se mueve desde a hasta b,

esto es valido solo si la fuerza es conservativa

Luego para poder definir la energía potencial

eléctrica, supongamos que tenemos dos

cargas dispuestas como se muestran a

continuación:

(Figura 1)

La carga q2 se mueve en relación a q1, por un

desplazamiento , cuando una partícula

cargada se mueve en un campo eléctrico ,

tenemos que:

Ya que

Como el campo está a lo largo del eje x

entonces tenemos

Si movemos la carga q2 respecto a la carga q1

tenemos que:

La ecuación 1 se cumple ya sea que q2 se

mueva hacia q1 o se aleje de ella, en el primer

caso rb < ra, y en el segundo caso rb > ra,

también se cumple para cualquier combinación

de los signos de q1 y q2.

En forma general la energía potencial eléctrica

es una magnitud escalar u su unidad es el

Joule (J).

Energía potencial de un sistema de cargas

puntuales.

Supongamos que tenemos un sistema de

cargas puntuales las cuales se mantienen en

posiciones fijas por fuerzas no especificadas.

(Figura 2 arreglo de cargas )

Podemos calcular la energía potencial eléctrica

del sistema de la siguiente manera

q2 q1

Q1 Q2

Q1

Q3 Q4

a a

b

b

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2

Observe que la energía potencial eléctrica es

una carga de sistema y no de alguna carga

individual.

Diferencia de potencial y potencial eléctrico

Para calcular la diferencia de potencial

eléctrico entre dos puntos A y B de un campo

eléctrico , se mide el trabajo que debe

realizar una fuerza externa para mover una

carga de prueba puntual qo, con rapidez

constante (sin ser acelerado) desde el punto A

hasta el punto B.

Entonces la diferencia de potencial se expresa

así:

Donde el

El trabajo realizado puede ser:

Positivo si

Negativo si

Nulo si

Unidades

En el sistema internacional (SI)

Trabajo (Joule)

Carga eléctrica (Coulomb)

Potencial eléctrico (Voltios)

Entonces

Potencial en un punto

Según la ecuación

Si colocamos una carga de prueba qo en un

punto A a una distancia infinita del conjunto de

cargas, donde el campo eléctrico sea cero.

Luego desplazamos dicha carga de prueba

desde esa separación infinita hasta el punto B

En este proceso la energía potencial cambia

de 0 a .

El potencial eléctrico en B debido a esta

distribución de cargas es:

Ya que asumimos arbitrariamente que el

potencial en el infinito es cero.

El potencial eléctrico es una cantidad escalar

porque tanto la carga como el trabajo son

cantidades escalares.

Tanto el trabajo W como la diferencia de

potencial son independientes de la

trayectoria seguida por la carga de prueba

positiva , al ser trasladada desde A hasta B.

Superficies equipotenciales

Una superficie equipotencial es el lugar

geométrico de todos los puntos que tienen el

mismo potencial eléctrico.

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(Figura 3. Superficies equipotenciales).fuente

tomada del Resnik- Holliday

En la figura 3, observamos que de las cuatro

trayectorias marcadas como 1,2,3 y 4 sobre

las cuatro superficies equipotenciales solo las

trayectorias 3 y 4 tienen diferencias de

potencial diferentes de cero ya que los puntos

que unen la trayectoria marcada están

ubicados en superficies equipotenciales

diferentes. Las trayectorias 1 y 2 tienen

diferencias de potencial cero, ya que sus

trayectorias pertenecen a puntos ubicados en

la misma superficie equipotencial.

Relación entre potencial y campo eléctrico

Supongamos que tenemos una fuerza externa

la cual mueve a una carga puntual de prueba

, desde un punto A hasta un punto B, el cual

tiene las siguientes características de

particularidad.

a) El campo eléctrico no es uniforme

b) La trayectoria es una trayectoria curva

cualquiera

c) La carga es trasladada con rapidez

constante ( sin ser acelerada)

El trabajo realizado o producido por la

fuerza externa, cuando este agente externo

produce un desplazamiento sobre la

carga a lo largo de la trayectoria

punteada es:

Entonces el trabajo total al mover la carga

de prueba desde A hasta B es:

Por otro lado tenemos que:

A

B

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Si el potencial en A lo consideramos en el

infinito entonces tenemos

Potencial eléctrico debido a una carga

puntual positiva

Supongamos que tenemos una carga

positiva aislada la cual tiene las

características:

a) El campo eléctrico es radial

b) Las líneas de fuerza de campo eléctrico

se alejan de la carga +q

c) El valor del campo eléctrico en cualquier

punto es

Debido a la fuerza externa, la carga de

prueba positiva + se mueve desde A

hasta B a velocidad constante (sin ser

acelerada).

Ya que:

Pero como tenemos que:

Como esta en el infinito

En forma general

Potencial debido a varias cargas puntuales

Supongamos que tenemos N cargas puntuales

en un sistema q1, q2, q3,….., Qn si queremos

hallar el potencial en un punto dado debido a

esas n cargas puntuales, se procede de la

siguiente manera:

Se calcula el potencial debido a cada una de

esas cargas de forma aislada de las demás y

luego sumamos algebraicamente cada uno de

los potenciales individuales y obtenemos el el

potencial total.

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En forma general

Potencial debido a una distribución de

cargas continúas

Para determinar el potencial eléctrico para una

distribución de cargas continuas se procede de

igual manera que para determinar el campo

eléctrico de distribuciones de cargas

continuas, se toma un pequeño diferencia de

carga y se integra de tal manera que se evalué

toda la distribución

Se toma la ecuación

Como

Entonces

Luego

Al igual que en el calculo de campo eléctrico

existen tres tipos de distribuciones continuas

Distribución lineal

Distribución superficial

Distribución volumétrica

Potencial eléctrico en un punto fuera de un

dipolo eléctrico

Supongamos que tenemos un punto de

coordenadas (x, y) ubicado en cualquier punto

del espacio que rodea a un dipolo eléctrico, el

potencial eléctrico en ese punto debido al

dipolo se calcula de la siguiente manera:

El potencial eléctrico en el punto P creado por

las dos cargas del dipolo es:

Como R1, R2 ≫2a

Tenemos que R1 ≅ R2≅ R

Θ ≅ φ

Y tenemos que

Finalmente

Ya que P= 2aq

EJERCICIOS RESUELTOS

1) Calcular el potencial eléctrico en el eje

que pasa por el centro de un anillo en

un punto P, situado a una distancia Z

-q q 2a

R2

R1 R

R2-R1

θ

P

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del centro del anillo, siendo a el radio

del anillo el cual tiene una distribución

uniforme de carga λ (C/m),

Tomamos un dl diferencial de longitud, en

cuyo diferencial hay un dq (diferencial de

carga), el cual origina en el punto P un dV

Donde:

Entonces tenemos que:

Si el anillo tiene una carga Q

Sabemos que

Entonces

Si nos piden calcular el potencial en el

centro del anillo entonces tenemos:

Entonces el potencial será

O en función de λ

2) Calcular la energía requerida para

agrupar el arreglo de cargas de la figura

siguiente, donde a = 0,20 cm, b = 0,40 cm y

q = 6 μC

SOLUCION

Z

Y

X

θ

θ dl

h Z

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3. Se tiene una esfera aisladora de radio a,

con una distribución de carga dada por

la función ( donde es una

constante), dentro de la cavidad de un

conductor esférico macizo y hueco de

radios b y c y que tiene una carga Q

a) ¿Cuál es el potencial eléctrico en la

superficie externa del aislante

b) ¿Cuál es la distribución de cargas en la

superficie externa e interna del

conductor

La segunda integral es cero debido a que el

, por estar dentro de un conductor.

Entonces tenemos

Como

Y el ángulo entre

Hallemos los campos E1 y E3

Resolviendo

q2=-2q

a

q1= q

q4= 3q

b

a b

c

Q

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Luego

Para encontrar E3

Luego

b.

Por gauss E2= 0

3. Un electrón de carga y masa

se dispara con una velocidad inicial

desde el punto o en dirección vertical hasta

una altura máxima H, determinar la

velocidad inicial con la que fue lanzado el

electrón.

H

ds

d

dr

Z

Y

Z

X

-e

B

A

R

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Como no existen fuerzas externas,

entonces se conserva la energía

La energía cinética en el punto B es cero

ya que en ese punto se detiene el electrón

De donde

Por otro lado tenemos que

Donde

Entonces

Integrando la primera integral

= u

Integrando tenemos que

Luego regresando el cambio y

evaluando entre a y b se tiene

Ahora definamos el potencial en el

punto A(ubicado en el centro del anillo)

como:

Para ello hacemos Z= 0

Ahora definamos el potencial en el

punto B, haciendo Z = H

f

Finalmente tenemos que la velocidad inicial

es: