Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
Física II Capitulo 2.- Ley de Gauss Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 1.- Un cilindro aislante macizo de radio R esta cargado positivamente con una distribución que depende de r según la función de densidad volumétrica ρ= Ao lo 1 1 r3 , donde Ao y lo son constante positiva. Hallar: (a) La cantidad de carga contenida en el superficie gaussiana mostrada en la figura 1.1. (b) El flujo eléctrico a través de una superficie gaussiana mostrada en la figura 1.2, de radio 2R y largo h. (c) El campo eléctrico a una distancia 2R del eje del cilindro. Respuesta : a De figura 1.1, la distribución volumétrica de carga dq= dV .Si el volumen de un cilíndro es V=r2h ⇒ dV dr =2r h ⇒ dV=2hrdr Reemplazando en la ecuación e integrando, tenemos: ∫ ri=0 r f=Q dq=∫ ri=0 rf =r Ao lo 11 r3 2hrdr Q=2h Ao lo [ ∫ ri=0 r f=r rdr∫ ri=0 r f=r 1 r2 dr ]= 2h Ao l o [ r2 2 − 1 r ] [C ] b Para la figura 1.2, usando la misma expresión anterior , cambiando solamente los límites de integración ⇒ ∫ r i=0 r f=Q dq= ∫ ri=0 r f=R Ao lo 1 1 r3 2hrdr , por lo tanto la carga neta encerrada por la superficie gaussiana es : Qneta= 2h Ao l o [ R2 2 − 1 R ] , reemplazando en la ecuación de flujo eléctrico E= Qneta o = 2h Ao o lo [ R2 2 − 1 R ] Nm2/C c Usando la Ley de Gauss ∮E ds= Qneta o Expandiendo la integral cerrada en las tres áreas del cilíndro: TS:Tapa Superior , TI :Tapa Inferior y Manto. Usando coordenadas cilíndricas : Figura 1.1 Figura 1.2 ∮E ds=∫ TI E ds∫ TS E ds ∫ Manto E ds ∫ TI E r ds−k ∫ TS E r dsk ∫ Manto E r ds r= Qneta o donde r k=0, y r r=1, quedando solamente la integral del manto: ∫ Manto Eds= Qneta o E2rh= 2h Ao lo o [ R2 2 − 1 R ] E= Ao l o o [ R2 2 − 1 R ] 1 r r , r2R Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II La figura 2.- La figura esta compuesta por tres esferas macizas y concéntricas. La esfera aislante de radio a esta cargada con una carga -2Q. La segunda esfera es conductora de radios b y c, contiene una carga neta de +3Q. Finalmente, la esfera conductora externa de radios d y e contiene una carga neta de -5Q. Determine el campo eléctrico aplicando en forma extremadamente rigurosa la Ley de Gauss en: (a) r < a (b) a<r<b (c) b<r<c (d) c<r<d (e) d<r<e (f) r>e Respuesta: a Usando la Ley de Gauss ∮E ds= Qneta o ∫ Sup. Esf. E ds= ∫ Sup. Esf. E−r ds r= ∫ Sup. Esf. −Eds= QP o Hay dos formas de calcular QPra: i Como QT=−2Q=cte , de la figura2.1 tenemos: QT V T = QP V P ⇒ −2Q 4 3 a3 = QP 4 3 r3 ⇒ QP=−2Q r3 a3 [C ] ii dq=∫dV ,donde el volumen de la esfera es V =4 3 a3 ⇒ dV dr =4r2 ⇒ dV=4r2dr como=cte. ⇒ = QT V T = −2Q 4 3 a3 = −3Q 2a3 Reemplazando ∫ 0 QT dq=∫ 0 r −3Q 2a3 ⋅4r2 dr ⇒ QT=−2Q r3 a3 [C ] Por lo tanto , reemplazando en la integral : ∫ Sup. Esf. −Eds= Q P o ⇒ −E 4r2=−2Q r3 oa 3 E= 1 4 o 2Qr a3 −r [N C ] , para rR Figura 2.1 Figura 2.2 Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II b Para arb , de la figura 2.2 tenemos: ∫ Sup. Esf. E ds=∫ SE E−r ds r=−∫ SE Eds= Qneto o = −2Q o ⇒ −E4r2=−2Q o E= 1 4 o 2Q r2 −r [N C ] , para arb c Para b rc , de la figura 2.3 tenemos: ∫ Sup. Esf. E ds= Qneto o = −2Q2Q o =0 ⇒ No existe Ebrc , debido a que la carga neta encerrada por la superficie gaussiana es cero. d Para crd , de la figura 2.4 tenemos: ∫ Sup. Esf. E ds= Qneto o = −2Q2Q−2Q3Q o ⇒ ∫ SE Er ds r =E 4 r2= Q o E= 1 4 o Q r2 r [ N C ] , para crd e Para dre , de la figura 2.5 tenemos: ∫ Sup. Esf. E ds= Qneta o = −2Q2Q−2Q2Q3Q−3Q o =0 ⇒ No existe Edre , debido a que la carga neta encerrada por la superficie gaussiana es cero. f Para re , de la figura 2.6 tenemos : ∫ Sup. Esf. E ds= Qneta o , entonces evaluando la Qneta , tenemos: Qneta=−2Q2Q−2Q2Q−2Q3Q−3Q3Q−5Q=−4Q ⇒ ∫ SE E−r ds r =−E 4r2= −4Q o E= 1 o Q r2 −r [N C ] , para re Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 3.- Una esfera conductora sólida de radio R, que tiene una carga positiva +5Q, es concéntrica con una coraza maciza aislante de radio interior 2R y exterior 3R que también tiene una carga +5Q. Aplicando la Ley de Gauss en forma más rigurosa que la generación anterior obtenga el vector campo eléctrico en: (a) 0<r<R. (b) Demuestre además que en la región R<r<2R en vector campo eléctrico vale: E= 1 4o ⋅ 5Q r 2 r (c) Aprovechando el resultado anterior determine la diferencia de potenciales usando el modo integral VR-V2R. (d) Determine la carga neta encerrada por la superficie gaussiana en 2R<r<3R. a Para 0 rR , usando la Ley de Gauss: ∮E ds= Qneta o ⇒ QN=0, por tratarse de una esfera conductora, toda la carga se concentra en la superficie. ⇒ No existe campo eléctrico: b Para Rr2R : ∫ Sup. Esf. E ds= ∫ Sup. Esf. Er ds r= QN o Como r r= 1 y QN=5Q ⇒ ∫ SE Eds= 5Q o ⇒ E 4r2= 5Q o E= 1 4 o 5Q r2 r [N C ] , para Rr2R c Usando V R−V 2R=−∫ 2R R E dl Usando el resultado anterior : V R−V 2R=−∫ 2R R 1 4o 5Q r2 r dr −r Como r r= 1 V R−V 2R= 5Q 4o ∫ 2R R dr r2 = 5Q 4o [ −1 r ] 2R R V R−V 2R= −5Q 4o [ 1 R − 1 2R ]= −5kQ 2R [V ] Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II d Para 2R r rR , La carga neta QN=5QQP , hay dos formas de calcular QPra : i Como QT=5Q=cte , de la figura3.1 tenemos : QT V T = QP V P ⇒ 5Q 4 3 [3R3−2R3] = QP 4 3 [r3−2R3] ⇒ Q P= 5Q[r3−8R3] 19R3 [C ] ii dq=∫dV ,donde el volumen de la esfera es V =43 r 3 ⇒ dV dr =4r2 ⇒ dV=4r2dr como=cte. ⇒ = QT V T = 5Q 4 3 19R3 = 15Q 76R3 ∫ 0 QT dq=∫ 2R r 15Q 76R3 ⋅4r2dr= 15Q 19R3 ∫ 2R r r2dr ⇒ QT= 15Q 19R3 [ r3 3 ] 2R r = 5Q [r3−8R3] 19R 3 [C ] Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 4.- La figura 4.1 muestra dos conductores esféricos concéntricos de radios R1 y R2, tienen cargas Q1 y Q2, respectivamente. Calcular, con ayuda del teorema de Gauss, el campo eléctrico: (a) En el interior de la esfera de radio R1 (b) Entre las esferas (0<r<R1 ) (c) En el exterior (r>R2). Respuestas: a Para rR1 , usando la Ley de Gauss: ∮E ds= Qneta o ⇒ QN=0, por tratarse de una esfera conductora fig. 4.2 , toda la carga se concentra en la superficie. ⇒ No existe campo eléctrico. b Para R1rR2Fig.4.3: ∫ Sup. Esf. E ds= ∫ Sup. Esf. Er ds r= QN o Como r r= 1 y QN=Q1 ⇒ ∫ SE Eds= Q1 o ⇒ E 4r2= Q1 o E= 1 4 o Q1 r2 r [ N C ] , para R1rR2 c Para rR2 Fig.4.4 : ∫ Sup. Esf. E ds= ∫ Sup. Esf. Er ds r= QN o Como r r= 1 y QN=Q1−Q1Q1Q2=Q1Q2 ⇒ ∫ SE Eds= Q1Q2 o ⇒ E 4r2= Q1Q2 o E= 1 4 o Q1Q2 r2 r [N C ] , para rR2 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias,Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 5.- La figura muestra dos anillos de radio R concéntricos al eje X, los cuales se ubican en el plano YZ de. Ambos anillos están cargados con distribuciones lineales de carga +λ y -λ, respectivamente. Determine: (a) El vector campo eléctrico en el punto P. (b) Aprovechando el resultado anterior determine la diferencia de potenciales usando el modo integral VR-V2R. (c) Un electrón colocado en el punto P, adquiere una rapidez a lo largo del eje OX. Determine con que velocidad atraviesa el anillo. Respuestas: a E= E1 E2−=2⋅E1 Del Capitulo de Campo Eléctrico : E1=∫ 0 2 K⋅dq1[ r P− rdq1] ∥rP− rdq1∥ 3 Con dq1=dl= Rd y r P=0, De la figura 5.2 y 5.3, tenemos el vector posición: rdq1=Rcos kR sen j−L i E1=∫ 0 2 k⋅Rd[0−Rcos k−R senjL i ] [Rcos2R sen2L i2] 3 E1= −kR R2L23/2 [∫ 0 2 R cosd k∫ 0 2 R sind j ] kR R2L23 /2 [∫ 0 2 Ldi ] E1= 2k LR R2L23/2 i , ⇒ E=4 k LR R2L23/ 2 i [N C ] b Usando V B−V P=−∫ P B E dl Usando el resultado anterior : V P−V B=−∫ P B 4k LR R2L23 /2 i dx −i Como r r= 1 V B−V P= 4k LR R2L23/2 ∫ 0 L dx=4k LR R2L23/2 [x]0 L V B−V P= 4 k L2R R2L23 /2 [V ] Figura 5.1.- Figura 5.2.- Figura 5.3.- c ΔEM=0 ; ⇒ ΔEkqo ΔV=0 EkB−EkPq V B−V P=0 1 2 mevB 2 − 1 2 me⋅0 2 −e V B−V P=0 vB=2eme V B−V P =4k L 2R R2L23/2 vB= 2L k R R2L23 i [m s ] Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 6.- El sistema compuesto por 3 cargas puntuales donde q1=+2Q, q2=-Q y q3=+2Q, como nuestra la figura 6.1, determine: (a) ¿Cuanta energía tiene el sistema compuesto por las tres cargas puntuales? (b) ¿Calcule el potencial eléctrico en un punto P del eje Y? (c) ¿Que diferencia de potencial VD-VE se mide en las posiciones D(6a,0,0) y E(10a,0,0)? (d) ¿Si la diferencia de potencial eléctrico VD-VE =2000 V y un electrón pasa por E con una rapidez de 2x10 m/s ¿Con que rapidez pasa⁷ Respuestas : a La figura 6.2 muestra las posiciones de las cargas puntuales: r1=−a i , r2=−a j , r3=a i y rP= y j U i=U12U 13U 23 U i = kQ1Q2 ∥r1−r2∥ kQ1Q3 ∥r1−r3∥ kQ2Q3 ∥r2−r3∥ U i = −2kQ2 ∥−a i−a j∥ 4kQ2 ∥−a i−a i∥ − 2kQ2 ∥−a j−a i∥ U i= −2kQ2 a2 4kQ2 2a − 2kQ2 a2 U i = 2kQ2 a [ −1 2 1− 1 2 ]= 2kQ2 a [ −2 2 1 ] U i= −0.8284 kQ2 a [Joule ] b V p=V 1V 2V 3 V P= k q1 ∥r p−r1∥ k q2 ∥r p−r2∥ k q3 ∥rp−r3∥ V p = K⋅2Q ∥y ja i∥ − K⋅Q ∥y ja j∥ K⋅2Q ∥y j−a i∥ V p = 2kQ y2a2 − kQ ya 2kQ y 2a2 V p= 4kQ y 2a2 − kQ ya [V ] c Utilizando la ecuaciónanterior , se tiene : V D= 4kQ 6a 2a2 − kQ 6aa V D= 4kQ 36a 2a2 − kQ 6aa V D=0.51 kQ a [V ] ⇒ Figura 6.1 Figura 6.2 V E= 4kQ 10a2a2 − kQ 10aa V E= 4kQ 100a2a2 − kQ 10aa V E= 4kQ a101 − kQ 11a V E=0.307 kQ a [V ] Finalmente V D−V E=0.51 kQ a −0.307kQ a V D−VE=0.2071 kQ a [V ] Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 7.- Considere dos cargas puntuales q1=2Q fija en P1 (-2a, 0 , 2a) y q2=-4Q en P2 (2a, 3a, 2a). (a) Calcule el potencial eléctrico total en un punto P(X,0,0) del eje OX generado por este par de cargas. (b) Con el resultado anterior obtenga VA-VB donde A(4a,0,0) y B(10a,0,0) Respuesta: a Las posiciones mostradas en la figura 7.2 r1=−2a i2a k y r2=2a i3a j2a k b V p=V Q1V Q2 V P= k Q1 ∥r p−r1∥ k Q2 ∥r p−r2∥ V P= k⋅2Q ∥x i2a i−2a k∥ − k⋅4Q ∥x i−2a i−3a j−2a k∥ V p= 2kQ [ x2a 24a2] − 4KQ [ x−2a29a24a2] V P= 2KQ [ x2a24a2] − 4kQ [ x−2a213a2] [V ] Usando esta expresión en A x=4a V A= 2KQ [4a2a24a2] − 4KQ [4a−2a213a 2] V A = 2KQ a⋅ 40 − 4KQ a⋅17 V A=−5.885⋅10 9Q a [V ] Para B x=10a, tenemos : V B = 2KQ [10a2a 24a2] − 4KQ [ 10a−2a213a2] V B= 2KQ a⋅148 − 4KQ a⋅77 V B= −2.623⋅10 9Q a [V ] Finalmente V A−V B =−5.885⋅10 9Q a −−2.623⋅109 Q a V A−V B=−3.2622⋅10 9Q a [V ] Figura 7.1 Figura 7.2 Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 8.- El sistema de tres cargas puntuales fijas, como muestra la figura 8.1. (a) El vector E p para los puntos del eje ox +. (b) El potencial eléctrico para puntos del eje ox+. (c) El trabajo realizado por un agente externo para trasladar un electrón desde C(2a,0,0) hasta D(4a,0,0) con rapidez constante. (d) La energía potencial eléctrica del sistema de 3 cargas fijas. Respuestas : a Ep= E1 E2 E3 Las posiciones obtenidas a partir de la figura 8.2: r1=0 i0 j0 k , r2=−2a k , r3=2a j y rP=x i ; E p = kq1[ rP−r1] ∥r P−r 1∥ 3 kq2[ r P−r 2] ∥rP−r2∥ 3 kq3 [ r P−r3 ] ∥r P−r 3∥ 3 E p= 2k Q [ x i−0] x3 3kQ [ x i2a k ] [x24a2] 3 − 3kQ [ x i−2a j ] [x24a2 ] 3 Ep = 2kQ i x2 6akQ j [ x24a 2] 3 6akQ k [ x24a2 ] 3 [ N C ] b V p=V 1V 2V 3 V P= kQ1 ∥r p−r1∥ kQ2 ∥r p−r2∥ kQ3 ∥rp−r3∥ V P= 2kQ x 3kQ x24a2 − 3kQ x24a2 V P = 2kQ x [V ] c W CD = q V D−V C C x=2a ,D x=4a y reemplazandoenV P: W CD = −e [2kQ 1 4a − 1 2a ]=−e [ −2kQ 4a ] W CD = ekQ 2a [J ] d U P =U 1U 2U3 U P= kQ1Q2 ∥r2−r1∥ k Q1 Q3 ∥r3−r1∥ k Q2 Q3 ∥r3−r2∥ U P= k 2Q 3Q ∥−2a k−0∥ k 2Q −3Q ∥2a j−0∥ k 3Q−3Q ∥2a j2a k∥ U P= 6kQ 2 2a − 6kQ2 2a − 9kQ2 a8 U P =−3.18 kQ2 a [ J ] Figura 8.1 Figura 8.2 Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 9.- La figura 9.1, compuesta por dos alambres rectos y un semi anillo de distribuciones lineales λ1, λ2 y λ3 de cargas -2λ0, +3λ0 y +2λ0 respectivamente. Determine el potencial eléctrico producido por los dos alambres horizontales y el semi anillo sobre el punto P. Respuesta : V P=V 1V 2V 3 Cálculo deV 1: V 1=∫ k dq1 ∥rP− rdq 1∥ =∫ 0 2R k −20dx ∥0− x i−R j∥ V 1=−2k0∫ 0 2R dx x 2R2 V 1=−2k0[ ln x x2R2]0 2R V 1=−2k 0[ ln 2RR 5 − lnR ] [V ] Cálculo deV 3: V 3=∫ k dq3 ∥rP− rdq 3∥ =∫ 0 2R k 20dx ∥0− x iR j∥ V 3=2k0∫ 0 2R dx x2R2 V 3=2k 0[ ln 2RR 5−lnR ] [V ] Cálculo deV 2: V 2= k dq2 ∥r P− rdq2∥ =∫ 3 2 2 k 30Rd ∥0−R cosiRsen j∥ V 2=3kR0∫ 3 2 2 d R2 cos²R2 sen² V 2= 3kR 0 R [] 32 2 =3k 0[ 2 −3 2 ] V 2=−3 k 0 [V ] Finalmente : V P=−3k 0 [V ] Figura 9.1 Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problemas 10.- Dos cargas puntuales iguales a q=2x109 [C] están separadas en la horizontal en una distancia de 0.6 [m]. Un electrón es liberado en P sobre la simetral YO y acelera hacia el origen O pasando por A. Obtenga: (a) Los potenciales eléctricos VA y VP. (b) La diferencia de potencial VA – VP. (c) La energía cinética y la rapidez del electrón al pasar por A. Respuestas : a V x= kq1 ∥rx− rq1∥ kq2 ∥rx− rq2∥ Donde q=q1=q2 ; y los vectorees posicion rq1=0.3 i y rq2=−0.3 i V x= k q ∥rx− rq1∥ k q ∥r x− rq2∥ Así ,con la formulaobtenida se procede acalcular V A y V P : V A= k q ∥rA− rq1∥ k q ∥rA− rq2∥ = k q ∥0.2 j−0,3 i∥ k q ∥0.2 j0,3 i∥ V A=100[V ] V P= k q ∥rP− rq1∥ k q ∥r P− rq2∥ = k q ∥0.4 j−0,3 i∥ k q ∥0.4 j0,3 i∥ VB=72[V ] b V A−V P = 100−72=28 [V ] c ΔEcΔE p=ECA−ECPEPA−EPP= 1 2 mvA 2 q V A−V P=0 vA=2qm V P−V A=3.14⋅106[ms ] ECA= 1 2 mv A 2 =4.48⋅10−18 [J ] Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Problema 11.- Para la molécula indicada en la figura 11.1 se tiene que el vector intensidad de campo eléctrico E(x) para puntos del eje X esta dado por la siguiente expresión: E x=2kq x2 − 2kqx a2x2 3 i donde q1=−q ; q2=2q y q3=−q (a) Calcule el trabajo de la fuerza eléctrica realizado para trasladar un electrón desde A(2a,0,0) hasta B(6a,0,0). (b) Obtenga el potencial eléctrico resultante para un punto P(x,0) del eje X. (c) De acuerdo con el resultado anterior, ¿que diferencia de potencial se mide entre A y B? a El trabajo realizado por el campo eléctrico ⇒ W AB=−q V A−V B ; V B−V A=−∫E⋅dl Igualando las dos expresiones, se tiene : W AB=q∫E⋅dl W AB=−e∫ A B [ 2kq x2 − 2kqx a2x2 3 ] i⋅dx i W AB=−2keq∫ 2a 6a dx x 2 2keq∫ 2a 6a x dx a2x2 W AB=−2keq [ −1 x ] 2a 6a 2keq [ −1 a2x2 ] 2a 6a W AB=e[ 2kq x − 2kq a2x2 ] 2a 6a W AB=2kqe [ 1 6a − 1 2a − 1 a 37 − 1 55 ] W AB=0.566 kqe a [J ] b La figura 11.2 muestra los vectores posicion: r1=a j , r2=0, r3=−a j y r p=x i V P=V1V 2V 3 V P= k q1 ∥r p−r1∥ k q2 ∥rp−r2∥ k q3 ∥rp−r3∥ V P= k⋅2q x − k⋅q a2x2 − k⋅q a2x2 V P=2kq [ 1 x − 1 a2x2 ] [V ] Figura 11.1 Figura 11.2 c V A x=2a =2kq [ 1 2a − 1 a5 ] V Ax=2a=0.106 kq a [V ] V Bx=6a=2kq [ 1 6a − 1 a37 ] VB x=6a=0.00454 kq a [V ] V A−V B=0.106 kq a −0.00454 kq a V A−V B=0.101 kq a [V ] Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío. Física II Profesores: Luis Soto-Mardones y Mónica Díaz Sepúlveda, Dpto. de Física, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío.
Compartir