FísicaMedioProblema · 2 pts

Campo magnético creado por corrientes

También trata: Movimiento de cargas: fuerza de Lorentz
Comunidad de Madrid · 2023 · Julio
Enunciado
Dos hilos rectilíneos indefinidos, paralelos al eje yy, están respectivamente situados en x=−0,1 mx = -0{,}1\,\text{m} y x=0,1 mx = 0{,}1\,\text{m}. El primero de ellos conduce una corriente de 10 A10\,\text{A} en el sentido positivo del eje yy. Si un electrón viaja en línea recta con velocidad v⃗=2⋅106 j⃗ m s−1\vec v = 2\cdot 10^{6}\,\vec j\ \text{m s}^{-1} a lo largo de x=0,4 mx = 0{,}4\,\text{m} sin desviarse, calcule:

a) La intensidad de corriente en el segundo hilo, especificando su sentido.

b) La fuerza que experimentaría un electrón que pasara por el origen de coordenadas con velocidad v⃗=2⋅106 j⃗ m s−1\vec v = 2\cdot 10^{6}\,\vec j\ \text{m s}^{-1}.

Datos: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π⋅10−7 T m A−1\mu_0 = 4\pi\cdot 10^{-7}\ \text{T m A}^{-1}; Valor absoluto de la carga del electrón, e=1,6⋅10−19 Ce = 1{,}6\cdot 10^{-19}\ \text{C}.
Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido
Resultado
  I2=6 A en el sentido de −j⃗  \boxed{\;I_2 = 6\ \text{A}\ \text{en el sentido de}\ -\vec j\;}  F⃗=1,02⋅10−17 i⃗ N  \boxed{\;\vec F = 1{,}02\cdot 10^{-17}\,\vec i\ \text{N}\;}
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
1

Estrategia

Cada hilo crea un campo magnético en circunferencias a su alrededor, perpendicular al plano xyxy (según ±k⃗\pm\vec k) en los puntos del eje xx. Como el electrón se mueve en el plano, su velocidad es perpendicular a ese campo: si no se desvía es porque el campo total en la recta x=0,4 mx = 0{,}4\,\text{m} es nulo. Esa recta está a la derecha de los dos hilos, y para que los campos se anulen allí las corrientes deben ir en sentidos opuestos; igualando los módulos sale la intensidad del segundo hilo.

En el origen, en cambio, estamos entre los hilos: con corrientes opuestas los dos campos apuntan igual y se suman. Con el campo total, la fuerza de Lorentz F⃗=q v⃗×B⃗\vec F = q\,\vec v\times\vec B, recordando que la carga del electrón es negativa.
2

Desarrollo

El campo de un hilo indefinido a una distancia rr vale B=μ0I2πrB = \dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}, y su sentido lo da la regla de la mano derecha.

a) En la recta x=0,4 mx = 0{,}4\,\text{m} las distancias a los hilos son r1=0,4−(−0,1)=0,5 mr_1 = 0{,}4 - (-0{,}1) = 0{,}5\,\text{m} y r2=0,4−0,1=0,3 mr_2 = 0{,}4 - 0{,}1 = 0{,}3\,\text{m}. El hilo 1 (corriente hacia +j⃗+\vec j) crea a su derecha un campo hacia −k⃗-\vec k:B1=μ0I12πr1=4π⋅10−7⋅102π⋅0,5=4⋅10−6 T(−k⃗)B_1 = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi r_1} = \frac{4\pi\cdot 10^{-7}\cdot 10}{2\pi\cdot 0{,}5} = 4\cdot 10^{-6}\ \text{T}\quad(-\vec k)Para anularlo, el hilo 2 debe crear allí un campo hacia +k⃗+\vec k, lo que exige que su corriente vaya hacia −j⃗-\vec j. Igualamos los módulos:μ0I12πr1=μ0I22πr2⇒I2=I1 r2r1=10⋅0,30,5=6 A\frac{\mu_0 I_1}{2\pi r_1} = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi r_2} \quad\Rightarrow\quad I_2 = I_1\,\frac{r_2}{r_1} = 10\cdot\frac{0{,}3}{0{,}5} = 6\ \text{A}El segundo hilo lleva 6 A6\,\text{A} en el sentido negativo del eje yy (contrario al primero).

b) En el origen los dos hilos están a a=0,1 ma = 0{,}1\,\text{m}. El hilo 1 queda a la izquierda con corriente hacia +j⃗+\vec j, y el hilo 2 a la derecha con corriente hacia −j⃗-\vec j: los dos crean en el origen un campo hacia −k⃗-\vec k, que se suma:B⃗=−μ02πa(I1+I2)k⃗=−2⋅10−70,1(10+6)k⃗=−3,2⋅10−5 k⃗ T\vec B = -\frac{\mu_0}{2\pi a}\left(I_1 + I_2\right)\vec k = -\frac{2\cdot 10^{-7}}{0{,}1}\left(10 + 6\right)\vec k = -3{,}2\cdot 10^{-5}\,\vec k\ \text{T}La fuerza de Lorentz sobre el electrón (q=−eq = -e):F⃗=q v⃗×B⃗=(−1,6⋅10−19)(2⋅106 j⃗)×(−3,2⋅10−5 k⃗)\vec F = q\,\vec v\times\vec B = \left(-1{,}6\cdot 10^{-19}\right)\left(2\cdot 10^{6}\,\vec j\right)\times\left(-3{,}2\cdot 10^{-5}\,\vec k\right)Con j⃗×k⃗=i⃗\vec j\times\vec k = \vec i:F⃗=(−1,6⋅10−19)(−64)i⃗=1,02⋅10−17 i⃗ N\vec F = \left(-1{,}6\cdot 10^{-19}\right)\left(-64\right)\vec i = 1{,}02\cdot 10^{-17}\,\vec i\ \text{N}El electrón sería empujado hacia +x+x, hacia el segundo hilo.
3

Consejo

«Se mueve en línea recta sin desviarse» en un problema de hilos significa campo magnético nulo en su trayectoria (aquí no hay campo eléctrico que pueda compensarlo).

Fuera de los dos hilos, los campos se anulan con corrientes opuestas; entre ellos, con corrientes iguales. Y no olvides el signo negativo de la carga del electrón en q v⃗×B⃗q\,\vec v\times\vec B.
Paso 1 de 3
¿Lo has intentado? Con una cuenta marcas hasta dónde llegaste y te proponemos qué repasar después.
¿Te atascas?Pregunta a otros estudiantes y profesores en la comunidad.
Sigue practicandoApuntes y todos los problemas de Campo electromagnético →