Tienes las expresiones del campo electrostático, del potencial, de la fuerza y de la energía potencial producidos por una carga positiva ubicada en el origen de coordenadas:
E(r) = k*Q/r2 (con dirección radial y sentido positivo alejándose de la carga, expresado en N/C),
V(r) = -k*Q/r (expresado en V),
F(r) = q*E(r) (con dirección radial y sentido positivo alejándose de la carga, expresado en N),
EP(r) = q*V(r) (expresada en J).
Luego, tienes los datos:
Q = 5 μC = 5*10-6 C,
q = 3 μC = 3*10-6 C,
k = 9*109 N*m2/C2.
A)
Consideramos que la posición inicial de la segunda carga es infinito, y tienes que la posición final es: rf = 3 m;
luego, planteas las expresiones de los potenciales, y queda:
V(ri) = 0,
V(rf) = -k*Q/rf;
luego, planteas las expresiones de las energías potenciales, y queda:
EP(ri) = 0,
EP(rf) = -k*Q*q/rf;
luego, planteas la ecuación trabajo-energía, y tienes que la expresión del trabajo realizado por una fuerza exterior, y queda:
WF = EP(rf) - EP(ri) , sustituyes expresiones, cancelas el término nulo, y queda:
WF = -k*Q*q/rf, reemplazas valores, y queda:
WF = -9*109*5*10-6*3*10-6/3 = -45*10-3 J.
B)
Tienes las posiciones de las cargas, y del punto en estudio:
rQ = 0,
rq = 3 m,
rP = a determinar (observa que r debe tomar un valor comprendido entre 0 y 3 m);
luego, observa que las distancias del punto en estudio a los puntos donde se ubican las cargas quedan expresadas:
rQP = rP - rQ = rP - 0 = rP,
rPq = rq - rP;
luego, planteas las expresiones de los campos electrostáticos producidos por ambas cargas (presta atención a sus sentidos), y queda:
E(rQP) = +k*Q/rP2,
E(rPq) = -k*q/(rq - rP)2;
luego, planteas la condición de equilibrio, y queda:
E(rQP) + E(rPq) = 0, sustituyes expresiones, y queda:
k*Q/rP2 - k*q/(rq - rP)2 = 0, divides por k en todos los términos, y queda:
Q/rP2 - q/(rq - rP)2 = 0, multiplicas por rP2*(rq - rP)2 en todos los términos, y queda:
Q*(rq - rP)2 - q*rP2 = 0, reemplazas valores, y queda:
5*10-6*(3 - rP)2 - 3*10-6*rP2 = 0, multiplicas por 106 en todos los términos, y queda:
5*(3 - rP)2 - 3*rP2 = 0, desarrollas el primer término, y queda:
45 - 30*rP + 5*rP2 - 3*rP2 = 0, reduces térmnos cuadráticos, ordenas términos, y queda:
2*rP2 - 30*rP + 45 = 0,
que es una ecuación polinómica cuadrática cuyas soluciones son:
rP ≅ 13,309 m, que no tiene sentido para este problema (recuerda que r debe tomar valores comprendidos entre 0 y 3 m),
rP ≅ 1,691 m.
C)
Planteas las expresiones de la energía potencial, de la energía cinética y de la energía total iniciales, y queda:
EP(ri) = -k*Q*q/ri = -9*109*5*10-6*3*10-6/3 = -45*10-3 J,
ECi = 0 (observa que la carga móvil se encuentra en reposo),
EMi = EP(ri) + ECi = -45*10-3 J (1);
planteas las expresiones de la energía potencial, de la energía cinética y de la energía total finales, y queda:
EP(rf) = -k*Q*q/rf = -9*109*5*10-6*3*10-6/6 = -22,5*10-3 J,
ECf =a determinar,
EMf = EP(rf) + ECf = -22,5*10-3 + ECf (1).
Luego, planteas la expresión del trabajo realizado por la fuerza electrostática sobre la carga móvil (recuerda la definición de energía potencial electrostática, y queda:
W = -(EPf - EPi), sustituyes las expresiones señaladas (1) (2), y queda:
W = (-22,5*10-3 + 45*10-3 J), reduces términos semejantes, y queda:
W = 22,5*10-3;
luego, por conservación de la energía, tienes que este trabajo es igual a la variación de la energía cinética de la carga móvil, y puedes plantear la ecuación:
ECf - ECi = W, sustituyes valores, cancelas el término nulo, y queda:
ECf = 22,5*10-3 J.
Espero haberte ayudado.