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EELETTROSTATICA E FFORZA DI COULOMB
RACCOLTA DI ESERCIZI CON SOLUZIONE
Lorenzo Andreassi PUOI TROVARE ALTRO MATERIALE DIDATTICO SU
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Ecco a voi una raccolta di esercizi sull’elettrostatica e sulla forza di Coulomb. Sono tutti esercizi da svolgere con soluzione finale.
BUON LAVORO!
Esercizi risolti
Esercizio 1 Come varia l’intensita della forza F se una delle due cariche elettriche raddoppia la sua intensita?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 la quantita 2Q1, otteniamo:
F ′ = k(2Q1)Q2
r2= 2k
Q1Q2
r2= 2F
Concludiamo che l’intensita della forza elettrica F raddoppia.
Esercizio 2 Come varia l’intensita della forza F se entrambe le cariche elettriche raddoppiano la loro intensita?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 e Q2, rispettivamente, le quantita 2Q1 e 2Q2, otteniamo:
F ′ = k(2Q1)(2Q2)
r2= 4k
Q1Q2
r2= 4F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F quadruplica.
Esercizio 3 Come varia l’intensita della forza F se la prima carica raddoppia e la seconda carica triplica?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 e Q2, rispettivamente, le quantita 2Q1 e 3Q2, otteniamo:
F ′ = k(2Q1)(3Q2)
r2= 6k
Q1Q2
r2= 6F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F diventa 6 volte maggiore.
Esercizio 4 Come varia l’intensita della forza F se le cariche Q1 e Q2 diventano, rispettivamente, m · Q1 en ·Q2?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 e Q2, rispettivamente, le quantita m · Q1 e n · Q2,otteniamo:
F ′ = k(n ·Q1)(m ·Q2)
r2= (m · n) · kQ1Q2
r2= (m · n)F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F diventa n ·m volte maggiore.
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Esercizio 5 Come varia l’intensita della forza F se l’intensita di una delle due cariche viene dimezzata?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 la quantita 12 ·Q1, otteniamo:
F ′ = k( 12 ·Q1)Q2
r2=
1
2kQ1Q2
r2=
1
2F
Concludiamo che l’intensita della forza elettrica F si dimezza.
Esercizio 6 Come varia l’intensita della forza F se entrambe le cariche elettriche dimezzano la loro intensita?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 e Q2, rispettivamente, le quantita 12 · Q1 e 1
2 · Q2,otteniamo:
F ′ = k( 12 ·Q1)(
12 ·Q2)
r2=
1
4kQ1Q2
r2=
1
4F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F diventa 4 volte inferiore.
Esercizio 7 Come varia l’intensita della forza F se la distanza tra le cariche raddoppia?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di r la quantita 2r, otteniamo:
F ′ = kQ1 ·Q2
(2r)2=
Q1Q2
4r2=
1
4F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F diventa 4 volte minore.
Esercizio 8 Come varia l’intensita della forza F se la distanza tra le cariche viene dimezzata?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di r la quantita 12r, otteniamo:
F ′ = kQ1 ·Q2
( 12r)2
=Q1Q214r
2= 4F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F diventa 4 volte maggiore.
Esercizio 9 Come varia l’intensita della forza F se la carica Q1 triplica e la distanza r tra le cariche raddoppia?
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo al posto di Q1 la quantita 3 · Q1 e al posto di r la quantita 2r,otteniamo:
F ′ = k(3 ·Q1) ·Q2
(2r)2=
3
4· kQ1Q2
r2=
3
4F
Concludiamo che l’intensita forza elettrica F si riduce di 34 .
Esercizio 10 Due cariche puntiformi Q1 = 3C e Q2 = 5C sono poste a una distanza di 2m. Calcolare ilmodulo della forza elettrica.
Risoluzione
Se nella formula della legge sostituiamo i dati, otteniamo:
F = kQ1 ·Q2
r2= 9 · 109 · 3 · 5
4= 9 · 109 · 15
4= 33, 75 · 109 = 3, 37 · 1010N
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Esercizio 11 Due cariche puntiformi Q1 e Q2 = 7C sono poste a una distanza di 3m. Calcolare l’intensitadella carica Q1 sapendo che il modulo della forza elettrica e di F = 1 · 106N .
Risoluzione
Dall’espressione della legge di Coulomb si ottiene:
F = kQ1 ·Q2
r2⇒ Q1 =
F · r2k ·Q2
Sostituendo i dati si ha:
Q1 =106 · 9
9 · 109 · 7 =106
7 · 109 =1
7· 10
6
109= 0, 14 · 106−9 = 0, 14 · 10−3 = 1, 4 · 10−4C
Esercizio 12 Determinare la distanza tra due cariche puntiformi Q1 = 6C e Q2 = 5C sapendo che interagis-cono con una forza pari a F = 1 · 1012N .
Risoluzione
Dall’espressione della legge di Coulomb si ottiene:
F = kQ1 ·Q2
r2⇒ r2 = k
Q1 ·Q2
F⇒ r =
√kQ1 ·Q2
F
Sostituendo i dati si ha:
r =
√9 · 109 · 6 · 5
1012=
√270 · 109−12 =
√270 · 10−2 =
√20 · 10−2 = 5, 1 · 10−1 = 0, 51m = 51cm
Esercizio 13 Determinare il modulo della forza elettrica che si esercita fra le cariche Q1 = 6C e Q2 = 5Csapendo che interagiscono con una forza pari a F = 1 · 1012N .
Risoluzione
Dall’espressione della legge di Coulomb si ottiene:
F = kQ1 ·Q2
r2⇒ r2 = k
Q1 ·Q2
F⇒ r =
√kQ1 ·Q2
F
Sostituendo i dati si ha:
r =
√9 · 109 · 6 · 5
1012=
√270 · 109−12 =
√270 · 10−2 =
√20 · 10−2 = 5, 1 · 10−1 = 0, 51m = 51cm
Esercizio 14 Determinare il modulo della forza elettrica che si esercita fra le cariche Q1 = 3C e Q2 = 7Cposte a una distanza di 6m e che interagiscono nell’acqua (εr = 80).
Risoluzione
Sostituendo i dati nell’espressione della legge di Coulomb si ottiene:
F =k
εr
Q1 ·Q2
r2=
9 · 10980
· 3 · 736
= 0, 065 · 109 = 6, 5 · 107N
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Problemi: forza di Coulomb1. Due particelle fisse di carica q1 = + 8q e q2=-2q sono poste rispettivamente
nell’origine dell’asse x ed in un punto di coordinata x = L.In che punto, a distanza finita, si può collocare un protone p in modo che resti inequilibrio ?
Idea chiave:Per avere equilibrio, la forza netta sul protonedeve essere nulla, cioè
con F1 = forza esercitata da q1 su pF2 = forza esercitata da q2 su p
da cui
Il punto di equilibrio può essere solo sull’asse x. Ne determino la posizione con il seguente ragionamento:
1) il punto di equilibrio NON può trovarsi tra le cariche, dato che F1 ed F2 avrebberoversi concordi (vedi figura b));
2) NON può trovarsi a sinistra di q1: sebbene in tale zona F1 ed F2 abbiano versi discordi,F1 è sempre maggiore di F2, essendo generata da carica maggiore posta a distanza minore
3) alla destra di q2 le forze hanno ancora versi opposti e posso quindi cercare in taleregione una posizione di equilibrio, essendo la carica maggiore più lontana:
021 FF
2121 FFFF
20
20
21 )(2
418
41
Lxqq
xqq
FF pp N.B. le cariche appaiono qui in modulo
Lxx
Lxx
Lx
221412
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2. Tre cariche puntiformi sono poste ai vertici di un triangolo equilatero, comemostrato in figura. Calcolare la forza elettrica risultante sulla carica di 7.00 C
NjiFFF )436.0755.0(21
La forza netta sulla carica di 7.00 C è datadalla somma vettoriale delle forze F1 ed F2dovute rispettivamente alle cariche di 2.00 C e -4.00 C.
Tali forze valgono in modulo:
Proietto tali forze su x ed y:
La forza totale è quindi:
Posso anche scriverla come:
xassesottotgFF
tg
NNNFFF
x
y
yx
011
2222
0.30755.0436.0
872.0)436.0()755.0(
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3. Due piccole sfere di massa m sono appese a delle funicelle di lunghezza l chesono collegate in un punto comune, come mostrato in figura.Una sfera ha carica Q e l’altra ha carica 2Q. Si assuma che gli angoli 1 e 2 che lefunicelle formano con la verticale siano piccoli.
a) come sono correlati 1 e 2 ?b) dimostrare che la distanza e fra le sfere è data da:
c) quanto vale Q se l= 120 cm, m =10 g e r = 5.0 cm ?
3/124mg
lQkr e
a) Le sfere hanno cariche diverse,ma ciascuna esercita una forza uguale econtraria sull’altra di modulo:
ove r è la distanza fra esse. Dato che le masse sono uguali deve essere
1 = 2
2
2r
QQkF ee
1 2
r2Q Q
mg
Fe
T Tcos
Tsin
b) Perché ci sia equilibrio per ogni sfera il bilancio delle forze deve essere nullo:
a piccoli angoli quinditg sin
tgmgmgF
mgT
TFFmgTF
TFFF
eex
y
ge
cossin
cos/
0sin
0cos
0
lr2
3/1232
2
2 4422
sinmg
lQkrmgrlQkrQk
lrmgmgF e
eedefe
c) Esplicito Q:
CmCNm
msmkglk
mgrQ
mgrlQk
e
e
82/1
2229
32232/13
32
1068.1)10120)(/109(4
)100.5)(/8.9)(1010(4
4
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Problemi: campi elettrici4. Un dipolo elettrico è costituito da una carica puntiforme positiva q ed una negativa –q
separate da una distanza 2a.
a) trovare il campo elettrico E docuto al dipolo lungo l’asse y nel punto P a distanza ydall’origine.
b) trovare il campo nei punti y >> a lontani dal dipolo.
22221 yaqk
rqkEE ee
a) In P i campi E1 ed E2 generati dalle cariche hanno uguale intensità, essendo le cariche poste alla stessa distanza da P:
il campo totale
ha componente y nulla, dato che i campi dovuti alle due cariche hanno componenti y uguali ed opposte.La componente x del campo E totale è invece parial doppio della componente x di ciascun campo:
b) A grandi distanze dal dipolo posso trascurare il termine a2 nel denominatore, ottenendo:a grandi distanze il campo del dipolo va ha zero piùvelocemente del campo prodotto da una carica puntiforme(E 1/y2) , dato che i campi prodotti dalle singole cariche(positiva e negativa) tendono ad elidersi
21 EEE
2/322222222
22
22
22cos2
//cos
cos2
yaqak
yaa
yaqk
yaqkE
yaara
yaqkE
eee
e
33
12yy
qakE e
N.B. molte molecole, come HCl, possono essere descritte come dipolipermanenti: uno ione positivo (H+) è infatti combinato con uno ione negativo (Cl-). Inoltre atomi e molecole, quando posti in campi elettrici, si comportano come dipoli.
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5. Un anello di raggio a ha una densità lineare di carica positiva uniforme, con caricatotale Q. Calcolare il campo elettrico lungo l’asse dell’anello, in un punto P posto a distanza x dal centro dell’anello stesso.
2rdqkdE e
Idea chiave:• calcolo il campo dE prodotto
da un elemento infinitesimo di carica dq, che posso supporre puntiforme
• sommo i contributi dovute alle cariche dqdistribuite sull’anello
Tale campo ha componenti
delle quali la componente y si cancella con la componente y dell’elemento di carica dq posta sul latoopposto dell’anello. Il campo E in P avrà quindi solo componente x.Sapendo che
Integro ora su tutto l’anello:
sincos
dEdEdEdE
y
x
dqaxxk
rx
rdqkdEdE
rxaxr
eex 2/3222
2/122
)(cos
/cos,)(
QaxxkE
dqaxxkdq
axxkdEE
ex
eexx
2/322
2/3222/322
)(
)()(
N.B. A grandi distanze E 1/x2 (carica puntiforme)
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6. Una bacchetta di lunghezza l = 14.0 cm, uniformemente carica, è piegata a forma di semicerchio, come mostrato in figura. Se la bacchetta possiede una carica totaleQ = .7.50 C, trovare modilo, direzione e verso del campo elettrico nel centro del semicerchio.
2rdqkdE e
Idea chiave:• calcolo il campo dE prodotto
da un elemento infinitesimo di carica dq, che posso supporre puntiforme
• sommo i contributi dovute alle cariche dqdistribuite sull’anello
ove
Le componenti y del campo prodotto da elementi di carica dq simmetrici rispetto all’asse x si annullano, mentre le componenti x si sommano:
Integro ora su tutto la bacchetta:
Sapendo che:
Vettorialmente:
drdsdq
rkd
rkd
rrkdEE ee
exx2coscos 2
2
2
cos
0
dEdEE
x
y
)/1016.2()140.0(
)1050.7)(/1099.8(22/,
72
6229
2 CNm
CCNml
QkE
lrlQ
ex
iCNE )/1016.2( 7
r
dq
d
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7. Un disco di raggio R possiede una densità di carica positiva uniformeQual è il campo elettrico nel punto P a distanza x dal disco lungo il suo asse?
2/3220
2/3222/322 )(2
4)()2(
)( xrrdrx
xrdrrxk
xrxdqkdE ee
Idea chiave:• scompongo il disco in sottili anelli concentrici • calcolo il campo dE prodotto da ciascun anello• sommo i contributi dovuti a tutti gli anelli
Su un anello di raggio r e spessore radiale deè depositata una carica
la quale genera un campo sull’asse del disco pari a
Integro ora su tutto l’anello:
Tale integrale è della forma
da cui:
R
drrrxxdEE0
2/322
0
)2()(4
drrdXmrxXconmXdXX
mm )2(,
23),(,
122
1
drrdAdq )2(
x
2/122
1)( xrxxER
22000 22/14 Rx
N.B. A grandi dimensioni (R>>x), il disco tende ad un piano infinitoil cui campo è pari a
02E
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8. Due strati infiniti, non conduttori, sono paralleli fra loro, come in figura. Calcolare il campo E a destra, al centro ed a sinistra dei due piani nel caso in cui:a) i due piani posseggano distribuzioni di carica superficiale uniformi e di segno opposto;b) i due piani posseggano distribuzioni di carica superficiale uniformi e di ugual segno.
Idea chiave:• il campo E prodotto da un piano infinito
vale
a seconda che la carica su di esso sia positiva o negativa.
• calcolo il campo E totale come somma vettorialedel campi E1 ed E2, prodotti dalle singoledistribuzioni
E i02
a) Distribuzioni di segno opposto: nella regione 1 e 3 i campi prodotti dal piano con densità di carica + e – sono diretti in direzioni opposte, quindi i contributi si cancellano.Nella regione 2 i campi sono invece di verso concorde (lungo asse x)così che si ottiene un campo E di intensità totale
1 2 3
iiE002
2
b) Distribuzioni di segno uguale: regione 2 i campi prodotti dal piano condensità di carica + e – sono diretti in direzioni opposte, quindi i contributi si cancellano.Nelle regioni 1 e 3 i campi sono invece di verso concordecosì che si ottiene un campo E di intensità totale:
1 2 3
iiEiiE00
300
1 22,
22
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Problemi: moto di cariche in campi elettrici9. In una stampante a getto d’inchiostro una goccia di massa m = 1.3 10-10 kg e con carica
negativa di modulo Q = 1.5 10-13 C penetra tra i piatti di deflessione, come mostrato infigura . Inizialmente la goccia si muove lungo l’asse x, con velocità v0x = 18 m/s.La lunghezza dei piatti è L = 1.6 cm. I piatti sono carichi e producono un campo elettricouniforme di intensità E = 1.4 106 N/C, diretto verso il basso. Quale è la deflessione verticale della goccia in corrispondenza dell’estremo di destradei piatti ? Si trascuri la forza di gravità.
Idea chiave:• Dato che la goccia è carica negativamente
ed il campo E è diretto verso il basso, sullagoccia agisce una forza elettrostatica QEdiretta verso l’alto.
• La goccia accelera verso l’alto con accelerazione costante
mQE
mFay
Le equazioni di moto, lungo x ed y sono:
Detto t’ il tempo di transito della goccia tra i piatti, gli spostamenti verticali ed Orizzontali in tale intervallo di tempo sono:
Ricavando t’ dalla seconda equazione e sostituendoli in 1) si ottiene:
0021
210
21
20
20
20
tvtatvxx
taytatvyy
oxxox
yyoy
Ltvx
tayyy
ox
y
')2
'21)1 2
0
mmmsmkg
mCNCvL
mQEtay
vLt
oxy
ox
64.0104.6)/18)(103.1(2
)106.1)(/104.1)(105.1(21'
21
'
410
22615
2
22
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10. Una sferetta carica positivamente di massa m = 1.0 g cade da ferma, nel vuoto, da unaaltezza h = 5.00 m, in un campo elettrico uniforme verticale, di intensità E = 1.00 104 N/C. La sferetta colpisce il suolo ad una velocità v = 21.0 m/s. Determinare:a) il verso del campo elettrico;b) la carica sulla sferetta.
Idea chiave:• La sferetta risente di una accelerazione verticale costante, data dalla combinazione della accelerazione di gravità e dalla accelerazione relativa al campo elettrico. Il moto della sferetta è quindi uniformemente accelerato.
Per la velocità della sferetta vale la relazione:
da cui si ricava l’accelerazione:
Questa è l’accelerazione complessiva della sferetta, che inserita nella seconda legge di Newton permette di calcolare il campo E:
a) Sapendo che la sola accelerazione di gravità fornirebbe una velocità finale
per raggiungere la velocità di 21.0 m/s è necessario che il campo E sia verticale ediretto verso il basso, dato che la carica è di segno positivo.
b) La carica q della sferetta vale quindi:
)(20
)(22
22
hav
xxavv
f
ifif
hv
a f
2
2
jh
mvmgEq
jh
mvjqEjmgFFamF
f
fegnet
)2
(
22
2
smmsmghv
xxgvv
f
ifif
/90.9)00.5)(/8.9(22
)(22
22
CCsmsmkggvmq f 43.31043.3/8.9)/0.21(1000.1)( 62
232
y
0h
= 5
m Fg E
mCNhE )00.5(2/100.12 3
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Problemi: teorema di Gauss11. Una sfera isolante di raggio a possiede una densità volumetrica uniforme ed una
carica totale Q positiva. Si calcoli:a) intensità del campo E fuori dalla sfera;b) intensità di E all’interno della sfera
Idea chiave:• applico il teorema di Gauss,
sfruttando la simmetria sferica della distribuzione di carica.
• Utilizzo una superficie sferica di raggio r concentrica con la carica, sulla cuisuperficie E è costante e perpendicolare in ogni punto.
a) Calcolo il flusso di E attraverso una superficie sfericaconcentrica con la carica ed esterna ad essa:
00
2 )4( QqrEdAEEdAAdE inE
T. di Gauss)(
41
20
arperrQE il campo esterno è equivalente
a quello di carica puntiforme
b) Calcolo il flusso di E attraverso una superficie sferica di raggio rconcentrica con la carica ed interna ad essa. Per applicare il T. di Gauss devo calcolare la carica qin contenuta all’interno di tale sfera di volume V’:
)34(' 3rVqin
)(43
4
)34(
4
)4(
300
20
3
20
0
2
arperra
Qr
r
r
rqE
qrEdAEEdAAdE
in
inE
T. di Gauss
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12. Calcolare il campo elettrico a distanza r generato da un filo uniformemente caricopositivo di lunghezza infinita la cui densità lineare di carica è
Idea chiave:• applico il teorema di Gauss, sfruttando la
simmetria cilindrica della distribuzione di carica.
• Utilizzo una superficie cilindrica di raggio re lunghezza l , coassiale con il filo carico
Per simmetria della distribuzione di carica, il campo E deve essere perpendicolare al filo e diretto nel verso uscente.
Sui punti della superficie laterale del cilindro, E è costante in modulo ed è perpendicolarealla superficie in ogni punto.
Sulle basi E è parallelo e quindi perpendicolare a dA, dando così flusso nullo.
Il flusso di E è diverso da 0 solo attraverso la superficie laterale, di area A:
00
lqEAdAEEdAAdE inE
T. di Gauss
rrE
lrlEAE
12
)2(
0
0
il campo esterno varia più lentamente ( 1/r)che non ne caso di una distribuzione sferica ( 1/r2)
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13. Trovare il campo elettrico creato da un piano isolante infinito con densità di carica superficiale
Idea chiave:• applico il teorema di Gauss, sfruttando la
simmetria della distribuzione di carica.
• Utilizzo una superficie cilindrica con asse perpendicolare al piano e che attraversa simmetricamente la distribuzione piana.
Per simmetria della distribuzione di carica, il campo E deve essere perpendicolare al pianocon verso uscente
Sui punti della basi del cilindro, E è costante in modulo ed è perpendicolarealla superficie delle basi in ogni punto.
Sulla superficie laterale E è parallelo e quindi perpendicolare a dA, dando così flusso nullo.
Il flusso di E è diverso da 0 solo attraverso le basi del cilindro, ciascuna di area A:
00
222 AqEAdAEEdAAdE in
basebaseE
T. di Gauss
0
0
2
2
E
AAE
il campo esterno è costante in ogni punto,indipendentemente dalla distanza dal piano
E è uniforme
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Problemi: potenziale elettrico
14. Si calcoli il potenziale nel punto P, al centro del quadrato di cariche puntiformimostrate in figura. Si assuma d = 1.3 m, q1 = +12nC, q2 = -24 nC, q3 = +31 nC, q4 = +17 nC.
Idea chiave:• calcolo il potenziale elettrostatico in P
come somma algebrica dei potenziali creati dalle quattro cariche.
rq
rq
rq
rq
VVn
ii
4321
0
1
41
Essendo r la distanza fra le cariche, pari a
si ottiene:
2/222
2222 drdddr
Vm
CCNm
dqqqqV
3522/3.1
10)17312412()/1099.8(
2/)(
41
9229
4321
0
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15. Le tre cariche in figura sono ai vertici di un triangolo isoscele di base 2.00 cm elati uguali di 4.00 cm. a) Calcolare il potenziale al centro della base, assumendo q = 7.00 C. b) Calcolare il campo elettrico nello stesso punto.
=q1
q2 q3a) Il potenziale in P è dato da:
ove le distanze della cariche da P sono:
da cui si ottiene:
32103
3
2
2
1
1
0
1
11144
1rrr
qrq
rq
rq
VVn
ii
mrr
mmmr2
32
222221
1000.1
1087.3)1000.1()1000.4(
Vmmm
CCNm
rrrqV
6
2226229
3210
100.1110
110
11087.31)1000.7)(/1099.8(
1114
Idea chiave:• calcolo il potenziale elettrostatico in P
come somma algebrica dei potenziali creati dalle quattro cariche.
• calcolo E come somma dei campi prodottidalle singole cariche
b) Le cariche negative producono in P campi E di verso opposto che quindi si annullano. Il campo in P è dato solo dalla carica q1:
jCNj
mCCNm
jrqEP
622
6229
210
102.41087.31)1000.7)(/1099.8(
41
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