Quatro partículas puntiformes com cargas e massas iguais estão disposta nos vértices de um quadrado de lado a .

  1. Qual é o vetor força elétricas sobre a carga na posição x = a ,   y = a ?
  2. Que trabalho foi realizado para trazer a última carga para o seu lugar desde o infinito?
  3. Qual é a energia cinética de cada carga no infinito se forem retirados simultaneamente todos os vínculos que prendem as cargas em seus lugares?

Passo 1

  1. Qual é o vetor força elétricas sobre a carga na posição x = a ,   y = a ?
  2. De acordo com a lei de Coulomb, a força entre as cargas é dada por:

    F → = q 1 q 2 4 π ϵ 0 r 2 r ^

    Assim, a força resultante vai ser a soma das forças. Só precisamos calcular cada uma separada e somar no final, sem mistério, né?

    1. Carga em 0 , a :
    2. F 1 → = q 2 4 π ϵ 0 a 2 i ^

    3. Carga em a , 0 :
    4. F 2 → = q 2 4 π ϵ 0 a 2 j ^

    5. Carga em a , a :

    Nesse caso, a distância entre as cargas é r = 2 a

    F 3 → = q 2 4 π ϵ 0 2 a 2 2 2 i ^ + 2 2 j ^

    F 3 → = q 2 4 π ϵ 0 a 2 2 4 i ^ + 2 4 j ^

    Como eu disse antes, agora só temos que somar esses caras:

    F → = q 2 4 π ϵ 0 a 2 1 + 2 4 i ^ + 1 + 2 4 j ^

    F → = q 2 4 π ϵ 0 a 2 4 + 2 4 i ^ + 4 + 2 4 j ^

    F → = 4 + 2 q 2 16 π ϵ 0 a 2   i ^ + j ^

    Passo 2

  3. Que trabalho foi realizado para trazer a última carga para o seu lugar desde o infinito?
  4. O trabalho realizado para trazer a última carga para o seu lugar desde o infinito será:

    W = q V 3

    Onde V 3 é o potencial elétrico das outras três cargas no ponto onde a última vai ser colocada.

    O potencial elétrico é dado por:

    V r = q 4 π ϵ 0 r

    Duas cargas estão a uma distância r = a da última carga, e apenas uma carga (a que vai ser em diagonal) está a uma distância r = 2 a da última carga.

    Logo:

    V 3 = q 4 π ϵ 0 a + q 4 π ϵ 0 a + q 4 π ϵ 0 a 2

    V 3 = q 4 π ϵ 0 a   2 + 2 2

    Agora, substituindo na fórmula do trabalho:

    W = q 2 4 π ϵ 0 a   2 + 2 2

    Passo 3

  5. Qual é a energia cinética de cada carga no infinito se forem retirados simultaneamente todos os vínculos que prendem as cargas em seus lugares?

Bom, como todas as cargas são iguais e o sistema apresenta simetria, faz sentido que todas as cargas possuam a mesma quantidade de energia cinética? (Sim, vai por mim)

Assim, qual a parada aqui?

A parada aqui é, a partir da conservação de energia, calcular a energia cinética total do sistema e dividir por quatro. Assim vamos encontrar a energia cinética de cada carga se elas forem retiradas simultaneamente. Foi numa boa?

Então vamos lá!

Nós temos 6 pares de cargas, em 4 dos pares, as cargas distam uma da outra de a , já nos outros dois pares, as cargas distam uma da outra de a 2 , beleza?

A energia potencial elétrica para cada par de carga é dada por:

U r = q 1 q 2 4 π ϵ 0 r

Lembrando que a energia total deve ser dividida por 4:

E c i n = 1 4   4 × q 2 4 π ϵ 0 a + 2 × q 2 4 π ϵ 0 a 2

E c i n = q 2 16 π ϵ 0 a   4 + 2

E c i n = q 2 4 π ϵ 0 a   1 + 2 4

Resposta

  1. F → = 4 + 2 q 2 16 π ϵ 0 a 2   i ^ + j ^

  2. W = q 2 4 π ϵ 0 a   2 + 2 2

E c i n = q 2 4 π ϵ 0 a   1 + 2 4

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