Energía y potencial eléctrico

Dos cargas puntuales $q_1 = 1\,\mu\text{C}$ y $q_2 = 2\,\mu\text{C}$ están separadas $0,3\ \text{m}$ (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Calculá la energía potencial eléctrica del sistema, $E_p = K \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r}$.
2. b) Interpretá el signo del resultado: al separar las cargas hasta el infinito, ¿hay que aportar energía o se libera? Relacionalo con el hecho de que las cargas se repelen.

Para que dos protones puedan fusionarse en el interior del Sol deben vencer su repulsión eléctrica y acercarse muchísimo (datos: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$; $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$; $1\ \text{eV} = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{J}$; $1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}$). La figura muestra la energía potencial del par de protones en función de su distancia.

1. a) Calculá la energía potencial eléctrica de dos protones separados una distancia $r = 1\ \text{nm}$.
2. b) Expresá el resultado en electronvoltios.
3. c) Razoná por qué la repulsión eléctrica dificulta la fusión y qué papel juega la altísima temperatura del interior solar para superarla.

Dos cargas $q_1 = 2\,\mu\text{C}$ y $q_2 = 3\,\mu\text{C}$, sujetas con soportes aislantes, pasan de estar separadas $1\ \text{m}$ a estar separadas $0,25\ \text{m}$ (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Calculá la energía potencial eléctrica inicial y final del sistema.
2. b) Calculá el trabajo que debe realizar un agente externo en el proceso, $W_{ext} = \Delta E_p$.
3. c) Razoná el signo del resultado: ¿por qué hay que aportar trabajo para acercar dos cargas que se repelen?
4. d) ¿Cuánto vale, en ese mismo proceso, el trabajo realizado por el campo eléctrico? Relacionalo con el del agente externo.

Una pequeña esfera del laboratorio tiene una carga $Q = 3\,\mu\text{C}$ (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Calculá el potencial eléctrico a $0,5\ \text{m}$ de la esfera, $V = K \cdot \frac{Q}{r}$.
2. b) Indicá el signo del potencial y razoná en qué lugar se toma, por convenio, $V = 0$.

El potencial eléctrico es una magnitud escalar; el campo eléctrico, vectorial.

1. a) Explicá qué diferencia práctica tiene esto a la hora de sumar, en un punto, las contribuciones de varias cargas.
2. b) ¿Puede ser negativo el potencial en un punto? Poné un ejemplo.
3. c) ¿Qué signo tiene el potencial creado por una carga positiva?

En un generador de Van de Graaff del laboratorio se mide un potencial de $6000\ \text{V}$ a $0,25\ \text{m}$ del centro de la esfera cargada (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$ y suponé la carga puntual).

1. a) Despejá la carga de la expresión $V = K \cdot \frac{Q}{r}$ y calculala.
2. b) ¿Cuánto valdría el potencial al doble de distancia? Razoná la proporcionalidad que usaste.

Dos cargas $q_1 = 4\ \text{nC}$ y $q_2 = -2\ \text{nC}$ están, respectivamente, a $0,3\ \text{m}$ y a $0,5\ \text{m}$ de un punto P (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Calculá el potencial que crea cada carga en P.
2. b) Calculá el potencial total en P.
3. c) Explicá por qué aquí las contribuciones se suman directamente como números, mientras que para el campo eléctrico hay que sumar vectores.

Una carga $q = 2\,\mu\text{C}$ se encuentra en un punto donde el potencial es $V = 1000\ \text{V}$.

1. a) Calculá su energía potencial eléctrica, $E_p = q \cdot V$.
2. b) Si la carga, que es positiva, se moviera espontáneamente hacia un punto de menor potencial, razoná si su energía potencial aumentaría o disminuiría.

A partir de la expresión del trabajo $W = q \cdot \Delta V$:

1. a) Deducí la equivalencia $1\ \text{V} = 1\ \text{J/C}$.
2. b) Explicá qué significa que entre los bornes de una batería de auto haya una diferencia de potencial de $12\ \text{V}$, hablando de la energía de cada culombio de carga que la atraviesa.
3. c) Indicá cuáles de estas expresiones equivalen a un voltio: $\text{J/C}$; $\text{N/C}$; $\text{J}\cdot\text{C}$.

Una carga $q = 5\,\mu\text{C}$ se desplaza desde un punto A, con potencial $V_A = 200\ \text{V}$, hasta un punto B, con $V_B = 80\ \text{V}$.

1. a) Calculá el trabajo realizado por el campo eléctrico, $W_{A \to B} = q \cdot (V_A - V_B)$.
2. b) Razoná, a partir del signo del resultado, si el campo «empuja» espontáneamente a la carga en ese sentido del desplazamiento.

Una carga $q = -3\,\mu\text{C}$ se desplaza desde un punto A ($V_A = 500\ \text{V}$) hasta un punto B ($V_B = 100\ \text{V}$).

1. a) Calculá el trabajo realizado por el campo, $W_{A \to B} = q \cdot (V_A - V_B)$.
2. b) Interpretá el signo negativo del resultado: ¿es un desplazamiento espontáneo o debe realizarlo un agente externo?
3. c) Razoná hacia dónde se movería espontáneamente esta carga negativa: ¿hacia potenciales mayores o hacia potenciales menores?

En una región, las superficies equipotenciales son planos paralelos. Dos de ellos, separados $2\ \text{cm}$, tienen potenciales $V_1 = 300\ \text{V}$ y $V_2 = 100\ \text{V}$. Fijate en el esquema:

1. a) Calculá el campo eléctrico entre los dos planos, suponiéndolo uniforme, $E = \frac{\Delta V}{d}$, e indicá su dirección y su sentido (el campo apunta hacia los potenciales decrecientes).
2. b) Calculá el trabajo que realiza el campo al desplazar una carga $q = 2\ \text{nC}$ desde el plano de $300\ \text{V}$ hasta el de $100\ \text{V}$.
3. c) Un alumno desplaza la carga primero «de lado», sin salir del plano de $300\ \text{V}$, y solo después la lleva hasta el plano de $100\ \text{V}$ por un camino quebrado. Razoná, usando que el campo eléctrico es conservativo (el trabajo solo depende de los puntos inicial y final), que el trabajo total es el mismo que en el apartado b), y calculá el trabajo del tramo «de lado».

En física de partículas se usa mucho el electronvolt: $1\ \text{eV} = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{J}$ (dato: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$).

1. a) Expresá en joules una energía de $3\ \text{eV}$.
2. b) Justificá la equivalencia anterior calculando, con $W = q \cdot \Delta V$, la energía que gana un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de $1\ \text{V}$.

Entre el interior y el exterior de una célula hay una diferencia de potencial de unos $70\ \text{mV}$, con el interior negativo (dato: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$). La figura muestra el esquema de la membrana.

1. a) Expresá esa diferencia de potencial en voltios e indicá cuánta energía hace falta, como mínimo, para transportar un culombio de carga positiva del interior al exterior contra el campo.
2. b) Calculá la energía necesaria para transportar un ion sodio $\text{Na}^+$ (carga $+e$) del interior al exterior, en julios y en electronvoltios.

Un detector registra partículas muy energéticas (dato: $1\ \text{eV} = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{J}$).

1. a) Una partícula registrada tiene una energía de $2,4\cdot10^{-17}\ \text{J}$: expresala en electronvoltios.
2. b) Una partícula alfa emitida en una desintegración nuclear tiene una energía de $5\ \text{MeV}$: expresala en julios.
3. c) Explicá, comparando los números anteriores, por qué el electronvoltio es una unidad cómoda en física atómica y nuclear.

En un microscopio electrónico, un electrón parte del reposo y se acelera mediante una diferencia de potencial $\Delta V = 2000\ \text{V}$ (datos: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$; masa del electrón $m_e = 9,11\cdot10^{-31}\ \text{kg}$). Fijate en el esquema:

1. a) Calculá la energía cinética que gana el electrón, en julios y en electronvoltios.
2. b) Aplicá la conservación de la energía, $\frac{1}{2} \cdot m_e \cdot v^2 = e \cdot \Delta V$, y calculá su velocidad final.

En la etapa de aceleración de un equipo de protonterapia (tratamiento de tumores con haces de protones), un protón parte del reposo en un punto A con $V_A = 3000\ \text{V}$ y llega a un punto B con $V_B = 500\ \text{V}$ (datos: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$; masa del protón $m_p = 1,67\cdot10^{-27}\ \text{kg}$).

1. a) Calculá la energía potencial que pierde el protón entre A y B.
2. b) Aplicá la conservación de la energía mecánica y calculá la velocidad del protón en B.
3. c) Razoná, con el signo de la carga y la variación de la energía potencial, si el protón podría moverse espontáneamente en sentido contrario, de B a A.

En un tubo de rayos X de un hospital, los electrones se aceleran hacia el ánodo con una diferencia de potencial $\Delta V = 40\ \text{kV}$ (datos: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$; masa del electrón $m_e = 9,11\cdot10^{-31}\ \text{kg}$; velocidad de la luz $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$). La figura muestra el esquema del tubo.

1. a) Expresá la diferencia de potencial en voltios y calculá la energía cinética de cada electrón al llegar al ánodo, en electronvoltios y en julios.
2. b) Calculá la velocidad final del electrón usando la expresión clásica $\frac{1}{2} \cdot m_e \cdot v^2 = e \cdot \Delta V$.
3. c) Compará el resultado con la velocidad de la luz y comentá por qué, a estas energías, la aproximación clásica empieza a ser cuestionable.

Dos cargas idénticas $q = 5\ \text{nC}$ ocupan los puntos $(0, 0)$ y $(0, 40)$, con las coordenadas en centímetros (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Razoná, dibujando los vectores en tu cuaderno, que el campo eléctrico total en el punto medio $P(0, 20)$ es nulo.
2. b) Calculá el potencial eléctrico en ese mismo punto P.
3. c) Sacá una conclusión: ¿es cierto que donde el campo es nulo el potencial también lo es?

Entre los dos electrodos planos de un detector de humos por ionización, separados $d = 5\ \text{cm}$, hay un campo eléctrico uniforme $E = 10^{4}\ \text{N/C}$ (dato: carga elemental $e = 1,6\cdot10^{-19}\ \text{C}$). Observá el esquema:

1. a) Calculá la diferencia de potencial entre los electrodos, $\Delta V = E \cdot d$.
2. b) Calculá el trabajo que realiza el campo sobre un ion positivo de carga $+e$ que va del electrodo positivo al negativo.
3. c) Comprobá que el resultado coincide con el calculado como $W = F \cdot d = e \cdot E \cdot d$ y explicá por qué tiene que ser así.

Dos cargas puntuales $q_1 = 6\ \text{nC}$ y $q_2 = -2\ \text{nC}$ están sobre el eje $x$, en $x_1 = 0$ y $x_2 = 1\ \text{m}$ (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Planteá la condición $V = 0$ en un punto del eje y expresala como una relación entre las distancias a cada carga: ¿qué relación debe cumplirse entre $r_1$ y $r_2$?
2. b) Encontrá el punto del eje, entre las dos cargas, donde el potencial se anula.
3. c) Encontrá el punto del eje, a la derecha de $q_2$, donde también se anula.
4. d) Razoná por qué no existe ningún punto con $V = 0$ a la izquierda de $q_1$.

Tres cargas idénticas $q = 1\ \text{nC}$ se colocan en los vértices de un triángulo equilátero de lado $10\ \text{cm}$ (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Calculá la energía potencial de cada pareja de cargas.
2. b) Sumá las contribuciones de todas las parejas y calculá la energía potencial total del sistema.
3. c) Interpretá el resultado como el trabajo total necesario para «armar» la distribución trayendo las cargas, una a una, desde el infinito.
4. d) Razoná por qué, en un sistema de cargas cualquiera, no alcanza con calcular la energía de una pareja y multiplicar por el número de parejas: ¿qué condición se cumple en este caso que sí lo hace posible?

Tu compañero afirma: «si en un punto el campo eléctrico es nulo, el potencial también es nulo; y si el potencial es nulo, el campo también lo es» (tomá $K = 9\cdot10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$).

1. a) Refutá la primera parte con un ejemplo numérico: calculá el punto del segmento entre las cargas $q_1 = 9\ \text{nC}$ y $q_2 = 4\ \text{nC}$, separadas $1\ \text{m}$, donde el campo es nulo, y calculá el potencial en ese punto.
2. b) Refutá la segunda parte con otro ejemplo numérico: calculá el potencial y el campo en el punto medio entre las cargas $q_1 = +5\ \text{nC}$ y $q_2 = -5\ \text{nC}$, separadas $40\ \text{cm}$.
3. c) Explicá, a partir de las definiciones de campo (vectorial) y de potencial (escalar), por qué las dos afirmaciones son falsas en general.

Durante una tormenta, la base de una nube puede estar a un potencial de unos $10^{8}\ \text{V}$ respecto al suelo, y un rayo llega a transferir una carga de $20\ \text{C}$ (dato: $1\ \text{kW}\cdot\text{h} = 3,6\cdot10^{6}\ \text{J}$).

1. a) Calculá la energía liberada en el rayo, $E = Q \cdot \Delta V$.
2. b) Expresala en kilovatios-hora.
3. c) El consumo eléctrico mensual de una vivienda es de unos $200\ \text{kW}\cdot\text{h}$: compará ambos valores y razoná por qué, a pesar de esa enorme energía, es tan difícil aprovechar la de los rayos (pensá en la potencia instantánea y en la impredecibilidad de las descargas).