FísicaMedioProblema · 2,5 pts

Inducción electromagnética

También trata: Campo y potencial eléctrico · Campo magnético creado por corrientes
Andalucía · 2025 · Reserva 4
Enunciado
a) Dos cargas de valores +q+q y −4q-4q se encuentran separadas una distancia dd. i) (0,5 puntos) Explique, con ayuda de un esquema, si puede ser nulo el campo eléctrico en algún punto de la línea que pasa por ambas cargas. ii) (0,5 puntos) En caso afirmativo, determine su posición en función de la distancia dd.

b1) Una bobina circular, de 2020 vueltas y 0,1 m0{,}1\,\text{m} de radio, se encuentra situada en un campo magnético, de forma que el flujo es máximo. Si el módulo del campo magnético es B(t)=20 sen(4πt)B(t) = 20\,\text{sen}(4\pi t) (SI), calcule: i) (1 punto) la fuerza electromotriz máxima en la bobina; ii) (0,5 puntos) la fuerza electromotriz inducida en el instante t=0,125 st = 0{,}125\,\text{s}.

b2) i) (0,5 puntos) Un conductor rectilíneo muy largo está situado en el eje OXOX y está recorrido por una corriente I=3 AI = 3\,\text{A} en sentido negativo del mismo. Determine, apoyándose en un esquema, el vector fuerza que actúa sobre una carga q=4×10−6 Cq = 4\times 10^{-6}\,\text{C}, que se encuentra en el eje OYOY en el punto y=0,04 my = 0{,}04\,\text{m} y tiene una velocidad de módulo 4×105 m s−14\times 10^{5}\,\text{m}\,\text{s}^{-1} en sentido positivo del eje OYOY. ii) (1 punto) Un segundo conductor, igual que el anterior, se coloca paralelamente al primero y corta el eje OYOY en y=0,2 my = 0{,}2\,\text{m}. Calcule, apoyándose en un esquema, la intensidad que debe circular por el segundo conductor, indicando su sentido, para que la fuerza resultante sobre la carga sea nula.

Dato: μ0=4π×10−7 T m A−1\mu_0 = 4\pi\times 10^{-7}\,\text{T}\,\text{m}\,\text{A}^{-1}.
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Resultado
  Sıˊ, fuera del segmento y al lado de +q, a una distancia x=d de ella  \boxed{\;\text{Sí, fuera del segmento y al lado de }+q\text{, a una distancia } x = d \text{ de ella}\;}  ∣ε∣maˊx=157,9 Vε(0,125 s)=0 V  \boxed{\;|\varepsilon|_{\text{máx}} = 157{,}9\ \text{V}\qquad \varepsilon(0{,}125\ \text{s}) = 0\ \text{V}\;}  F⃗=−2,4⋅10−5 i⃗ NI2=12 A en el mismo sentido (−i⃗)  \boxed{\;\vec{F} = -2{,}4\cdot 10^{-5}\ \vec{i}\ \text{N}\qquad I_2 = 12\ \text{A en el mismo sentido }(-\vec{i})\;}
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Estrategia

En a) con cargas de signo opuesto y distinto valor, el punto de campo nulo está siempre fuera del segmento y del lado de la carga menor en valor absoluto. Ahí es donde puede ganar la más pequeña por estar más cerca.

En b1) hay que derivar el flujo: la f.e.m. máxima es la amplitud de la sinusoide resultante. Y atención al instante pedido, que cae justo en un cero.

En b2) es fuerza de Lorentz sobre una carga en el campo de un hilo, y después la condición de campo total nulo en ese punto para que la fuerza se anule.
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Desarrollo

a) i) Sean +q+q en el origen y −4q-4q a una distancia dd. Buscamos dónde E1=E2E_1 = E_2 con sentidos opuestos:
  • Entre las cargas: el campo de +q+q apunta hacia la derecha (alejándose) y el de −4q-4q también apunta hacia la derecha (hacia ella). Se suman: nunca se anulan.
  • Más allá de −4q-4q: los campos tienen sentidos opuestos y podrían cancelarse, pero ahí la carga −4q-4q está más cerca y además es cuatro veces mayor, así que su campo siempre gana. No hay solución.
  • Detrás de +q+q, al otro lado de −4q-4q: los campos también son opuestos, y ahora +q+q está más cerca, lo que puede compensar que sea cuatro veces menor. Aquí sí se anulan.
ii) Sea xx la distancia desde +q+q, medida hacia el lado opuesto a −4q-4q. La distancia a −4q-4q es x+dx+d:Kqx2=K 4q(x+d)2⟹(x+d)2=4x2⟹x+d=2x\frac{K q}{x^2} = \frac{K\,4q}{(x+d)^2} \quad\Longrightarrow\quad (x+d)^2 = 4x^2 \quad\Longrightarrow\quad x + d = 2xx=d\boxed{x = d}El punto está a una distancia dd de la carga +q+q, en el lado opuesto a −4q-4q (es decir, a 2d2d de −4q-4q).

b1) i) Superficie de una espira:S=πR2=π(0,1)2=3,14⋅10−2 m2S = \pi R^2 = \pi(0{,}1)^2 = 3{,}14\cdot 10^{-2}\ \text{m}^2"El flujo es máximo" significa que B⃗\vec{B} es perpendicular al plano de la bobina (cos⁡θ=1\cos\theta = 1). Con N=20N = 20 espiras:Φ(t)=N B(t) S=20⋅3,14⋅10−2⋅20 sen(4πt)=12,57 sen(4πt) Wb\Phi(t) = N\,B(t)\,S = 20\cdot 3{,}14\cdot 10^{-2}\cdot 20\,\text{sen}(4\pi t) = 12{,}57\,\text{sen}(4\pi t)\ \text{Wb}Fuerza electromotriz:ε(t)=−dΦdt=−12,57⋅4π cos⁡(4πt)=−157,9 cos⁡(4πt) V\varepsilon(t) = -\frac{d\Phi}{dt} = -12{,}57\cdot 4\pi\,\cos(4\pi t) = -157{,}9\,\cos(4\pi t)\ \text{V}La amplitud de esa sinusoide es la f.e.m. máxima:∣ε∣maˊx=157,9 V≈1,58⋅102 V|\varepsilon|_{\text{máx}} = 157{,}9\ \text{V} \approx 1{,}58\cdot 10^{2}\ \text{V}ii) En t=0,125 st = 0{,}125\,\text{s}, el argumento vale 4π⋅0,125=π/24\pi\cdot 0{,}125 = \pi/2:ε=−157,9 cos⁡ ⁣(π2)=0 V\varepsilon = -157{,}9\,\cos\!\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0\ \text{V}Justo en ese instante el flujo es máximo (el seno vale 11), y donde el flujo es máximo su derivada es nula: no hay f.e.m. inducida.

b2) i) El conductor está sobre OXOX con I=3 AI = 3\,\text{A} en sentido −i⃗-\vec{i}. En el punto (0, 0,04, 0)(0,\ 0{,}04,\ 0), a d=0,04 md = 0{,}04\,\text{m}:B=μ0I2πd=4π⋅10−7⋅32π⋅0,04=1,5⋅10−5 TB = \frac{\mu_0 I}{2\pi d} = \frac{4\pi\cdot 10^{-7}\cdot 3}{2\pi\cdot 0{,}04} = 1{,}5\cdot 10^{-5}\ \text{T}Dirección: u^I×u^r=(−i⃗)×(j⃗)=−k⃗\hat{u}_I \times \hat{u}_r = (-\vec{i})\times(\vec{j}) = -\vec{k}, luegoB⃗=−1,5⋅10−5 k⃗ T\vec{B} = -1{,}5\cdot 10^{-5}\,\vec{k}\ \text{T}Fuerza de Lorentz sobre la carga, con v⃗=4⋅105 j⃗\vec{v} = 4\cdot 10^{5}\,\vec{j}:F⃗=q v⃗×B⃗=4⋅10−6 (4⋅105 j⃗)×(−1,5⋅10−5 k⃗)\vec{F} = q\,\vec{v}\times\vec{B} = 4\cdot 10^{-6}\,(4\cdot 10^{5}\,\vec{j})\times(-1{,}5\cdot 10^{-5}\,\vec{k})Como j⃗×k⃗=i⃗\vec{j}\times\vec{k} = \vec{i}:F⃗=4⋅10−6⋅4⋅105⋅(−1,5⋅10−5) i⃗=−2,4⋅10−5 i⃗ N\vec{F} = 4\cdot 10^{-6}\cdot 4\cdot 10^{5}\cdot(-1{,}5\cdot 10^{-5})\,\vec{i} = -2{,}4\cdot 10^{-5}\,\vec{i}\ \text{N}ii) Para que la fuerza total sobre la carga sea nula (con v⃗≠0\vec{v} \neq 0), el campo magnético total en su posición debe anularse. El segundo conductor está en y=0,2 my = 0{,}2\,\text{m}, a una distancia d2=0,2−0,04=0,16 md_2 = 0{,}2 - 0{,}04 = 0{,}16\,\text{m} de la carga, y debe crear allíB⃗2=+1,5⋅10−5 k⃗ T\vec{B}_2 = +1{,}5\cdot 10^{-5}\,\vec{k}\ \text{T}Ahora el unitario del hilo a la carga es −j⃗-\vec{j}. Si la corriente circula también en sentido −i⃗-\vec{i}:(−i⃗)×(−j⃗)=+k⃗✓(-\vec{i})\times(-\vec{j}) = +\vec{k}\quad\checkmarkEs el sentido correcto. Su módulo:μ0I22π⋅0,16=1,5⋅10−5⟹I2=1,5⋅10−5⋅0,162⋅10−7=12 A\frac{\mu_0 I_2}{2\pi\cdot 0{,}16} = 1{,}5\cdot 10^{-5} \quad\Longrightarrow\quad I_2 = \frac{1{,}5\cdot 10^{-5}\cdot 0{,}16}{2\cdot 10^{-7}} = 12\ \text{A}En el esquema, los dos hilos llevan la corriente en el mismo sentido (−i⃗-\vec{i}), y la carga queda entre ellos en la zona donde sus campos son opuestos y se cancelan.
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Consejo

En a), con cargas de signo opuesto el punto de campo nulo está siempre fuera y del lado de la menor; con cargas del mismo signo, siempre entre ellas. Razona la zona antes de plantear la ecuación: te ahorra la raíz falsa.

En b1) ii), que ε=0\varepsilon = 0 no es un error de cálculo: en el instante de flujo máximo la derivada es nula. Explícalo, que es lo que se valora.
Paso 1 de 3
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