Considera una superficie de Gauss cilíndrica con radio r, y eje de simetría z, cuya ecuación cartesiana es: x2 + y2 = r2.
Luego, por simetría, tienes que el módulo del campo electrostático es igual en todos los puntos de la superficie gaussiana.
Luego, planteas la ecuación de Gauss (indicamos con S a la superficie, y con qne a la carga neta encerrada por ella.
∫∫Sε0*E•dS = qne,
luego, como el vector campo es perpendicular a la superficie en todos sus puntos, tienes que el vector campo es paralelo al vector normal a la superficie en todos sus puntos, por lo que desarrollas el producto escalar, y queda:
∫∫R ε0*|E|*dA = qne,
luego, extraes factores constantes de la integral doble, y queda:
ε0*|E|*∫∫R dA = qne,
resuelves la integral doble (observa que su resultado es el área del cilindro (indicamos con L a su longitud, que suponemos es muy grande), y queda:
ε0*|E|*AS = qne,
luego, sustituyes las expresiones del área de la superficie gaussiana y de la carga neta encerrada en función de la densidad lineal de carga del conductor y de la longitud considerada, y queda:
ε0*|E|*4π*r2 = λ*r,
sustituyes la expresión de la constante de Coulomb (4πε0 = 1/k), divides por r en ambos miembros, y queda:
(1/k)*|E|*r = λ,
multiplicas en ambos miembros por k/r, y queda:
|E| = k*λ*(1/r),
que es la expresión del módulo del campo eléctrico en todos los puntos de la superficie gaussiana.
Luego, plantea la expresión del potencial:
V = -∫C E•dr,
luego, como el campo tiene dirección radial con respecto al eje de simetría, tienes que es paralelo al radio en cada punto, por lo que puedes plantear:
V = - ∫ |E|*dr = - ∫ k*λ*(1/r)*dr = -k*λ*∫ (1/r)*dr,
resuelves la integral, y queda:
V = -k*λ*ln(r) + C,
que es la expresión general del potencial, en la que el valor de la constante de integración depende del punto de referencia que se considere en cada caso.
Luego, tienes los datos de tu enunciado:
λ = 1,5*10-6 C (densidad lineal de carga del hilo recto conductor),
V(2,5) = 0 (potencial en el punto de referencia),
k = 9*109 N*m2/C2 (constante de Coulomb);
luego, reemplazas en la expresión del potencial remarcada, y queda:
0 = -9*109*1,5*10-6*ln(2,5) + C,
resuelves el término numérico, y queda:
0 = -13,5*103*ln(2,5) + C,
sumas 13,5*103*ln(2,5) en ambos miembros, y queda:
13,5*103*ln(2,5) = C.
Luego, reemplazas el valor de la constante en la expresión general del potencial remarcada, y tienes la expresión particular del potencial para la situación planteada en tu enunciado:
V = -k*λ*ln(r) + 13,5*103*ln(2,5),
reemplazas valores en el primer término, resuelves, y queda:
V = -13,5*103*ln(r) + 13,5*103*ln(2,5),
extraes factores comunes, y queda:
V = -13,5*103*( ln(r) - ln(2,5) ),
aplicas la propiedad del logaritmo de una división, y queda:
V = -13,5*103*ln(r/2,5) (en voltios).
a)
V(2) = -13,5*103*ln(2/2,5) = -13,5*103*ln(0,4) (en voltios);
b)
V(4) = -13,5*103*ln(4/2,5) = -13,5*103*ln(1,6) (en voltios);
c)
V(12) = -13,5*103*ln(12/2,5) = -13,5*103*ln(4,8) (en voltios).
Observa que la configuración de la carga (distribución lineal uniforme) condujo a una expresión del potencial que toma valores negativos con valores absolutos cada vez más grandes a medida que se consideran puntos más alejados del hilo conductor cargado.
Espero haberte ayudado.