FísicaMedioProblema · 2,5 pts

Campo magnético creado por corrientes

Comunidad de Madrid · 2025 · Julio
Enunciado
Un hilo rectilíneo infinito paralelo al eje zz pasa por el punto (0, 6, 0) cm(0,\,6,\,0)\,\text{cm} y transporta una corriente I=5 AI = 5\,\text{A} en el sentido positivo del eje zz.
Plano xy con los ejes en centímetros: el hilo atraviesa el plano en (0, 6, 0) con la corriente I = 5 A saliendo del papel; una línea discontinua une ese punto con (4, 2, 0) y continúa hasta (6, 0, 0), en el eje x.
Plano xy con los ejes en centímetros: el hilo atraviesa el plano en (0, 6, 0) con la corriente I = 5 A saliendo del papel; una línea discontinua une ese punto con (4, 2, 0) y continúa hasta (6, 0, 0), en el eje x.
a) (1,25 puntos) Calcule el campo magnético creado por el hilo en el punto (4, 2, 0) cm(4,\,2,\,0)\,\text{cm}.

b) (1,25 puntos) Determine la intensidad de corriente que debe transportar un segundo hilo rectilíneo infinito que se sitúe paralelo al eje zz y que pase por el punto (6, 0, 0) cm(6,\,0,\,0)\,\text{cm} para que el campo magnético total en el punto (4, 2, 0) cm(4,\,2,\,0)\,\text{cm} sea cero.

Dato: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π⋅10−7 T m A−1\mu_0 = 4\pi\cdot 10^{-7}\,\text{T}\,\text{m}\,\text{A}^{-1}.
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Resultado
  B⃗1(4, 2, 0)=1,25⋅10−5 (i⃗+j⃗)  T∣B⃗1∣=1,77⋅10−5 T  \boxed{\;\vec B_1(4,\,2,\,0) = 1{,}25\cdot 10^{-5}\,(\vec i + \vec j)\ \ \text{T}\qquad |\vec B_1| = 1{,}77\cdot 10^{-5}\ \text{T}\;}  I2=2,5 A en el sentido positivo del eje z  \boxed{\;I_2 = 2{,}5\ \text{A}\ \text{en el sentido positivo del eje } z\;}
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

El campo de un hilo infinito tiene módulo μ0I/(2πd)\mu_0 I/(2\pi d) y sus líneas son circunferencias alrededor del hilo, con el sentido que da la regla de la mano derecha (pulgar en el sentido de la corriente). En un punto concreto, el campo es perpendicular al segmento que une el hilo con el punto. La dirección la sacamos con un producto vectorial: u⃗I×u⃗r\vec u_I\times\vec u_r.

Fíjate en el dibujo: el primer hilo, el punto (4, 2, 0)(4,\,2,\,0) y el segundo hilo están alineados sobre la misma recta. Por eso los dos campos en el punto tienen la misma dirección (perpendicular a esa recta), y pueden anularse si tienen sentidos opuestos e igual módulo. Con eso decidimos el sentido de la segunda corriente y su valor.
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Desarrollo

a) El vector que va del hilo al punto, en el plano xyxy:r⃗1=(4−0, 2−6)=(4, −4) cmd1=42+42=42 cm=5,66⋅10−2 m\vec r_1 = (4 - 0,\ 2 - 6) = (4,\,-4)\ \text{cm}\qquad d_1 = \sqrt{4^2 + 4^2} = 4\sqrt{2}\ \text{cm} = 5{,}66\cdot 10^{-2}\ \text{m}Módulo del campo:B1=μ0 I2π d1=4π⋅10−7⋅52π⋅5,66⋅10−2=1,77⋅10−5 TB_1 = \frac{\mu_0\,I}{2\pi\,d_1} = \frac{4\pi\cdot 10^{-7}\cdot 5}{2\pi\cdot 5{,}66\cdot 10^{-2}} = 1{,}77\cdot 10^{-5}\ \text{T}Dirección: el producto vectorial del sentido de la corriente por el unitario que va del hilo al punto:u⃗B=k⃗×i⃗−j⃗2=j⃗+i⃗2\vec u_B = \vec k\times\frac{\vec i - \vec j}{\sqrt{2}} = \frac{\vec j + \vec i}{\sqrt{2}}B⃗1=1,77⋅10−5 i⃗+j⃗2=1,25⋅10−5 (i⃗+j⃗)  T\vec B_1 = 1{,}77\cdot 10^{-5}\,\frac{\vec i + \vec j}{\sqrt{2}} = 1{,}25\cdot 10^{-5}\,(\vec i + \vec j)\ \ \text{T}Es perpendicular a la línea discontinua de la figura (que tiene dirección i⃗−j⃗\vec i - \vec j), como debe ser.

b) El segundo hilo pasa por (6, 0, 0)(6,\,0,\,0). Del hilo al punto:r⃗2=(4−6, 2−0)=(−2, 2) cmd2=22+22=22 cm=2,83⋅10−2 m\vec r_2 = (4 - 6,\ 2 - 0) = (-2,\,2)\ \text{cm}\qquad d_2 = \sqrt{2^2 + 2^2} = 2\sqrt{2}\ \text{cm} = 2{,}83\cdot 10^{-2}\ \text{m}Sentido de la corriente. Probamos con la corriente en +z+z:u⃗B=k⃗×−i⃗+j⃗2=−j⃗−i⃗2=−i⃗+j⃗2\vec u_B = \vec k\times\frac{-\vec i + \vec j}{\sqrt{2}} = \frac{-\vec j - \vec i}{\sqrt{2}} = -\frac{\vec i + \vec j}{\sqrt{2}}Es justo el sentido opuesto a B⃗1\vec B_1, así que la segunda corriente también debe ir en el sentido positivo del eje zz (con la corriente en −z-z los campos se sumarían). Tiene sentido: el punto está entre los dos hilos, y entre dos corrientes paralelas del mismo sentido sus campos se oponen.

Valor de la corriente. Igualamos los módulos:μ0 I12π d1=μ0 I22π d2⟹I2=I1 d2d1=5⋅2242=2,5 A\frac{\mu_0\,I_1}{2\pi\,d_1} = \frac{\mu_0\,I_2}{2\pi\,d_2} \quad\Longrightarrow\quad I_2 = I_1\,\frac{d_2}{d_1} = 5\cdot\frac{2\sqrt{2}}{4\sqrt{2}} = 2{,}5\ \text{A}El segundo hilo está a la mitad de distancia del punto, así que le basta la mitad de corriente.
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Consejo

No olvides decir el sentido de la segunda corriente: es la mitad del razonamiento. En la recta que une dos hilos paralelos, entre ellos los campos se oponen si las corrientes van en el mismo sentido; fuera del tramo entre los hilos, si van en sentidos contrarios.

Trabaja la distancia en metros: con dd en centímetros el campo te sale cien veces mayor.
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