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Campo magnético creado por corrientes
Problema
2019 · Extraordinaria · Reserva
2A-b
Examen

Por el hilo A circula la corriente IA=10 AI_A = 10 \text{ A}.

Imagen del ejercicio
b) i) Determine, razonadamente, el valor y sentido de la intensidad IBI_B, si el campo magnético total es cero en el punto P, situado a 0,25 m0,25 \text{ m} a la derecha del hilo A. ii) Calcule la fuerza magnética que ejercen los dos hilos conductores sobre un electrón que se moviera en el mismo plano XY, con una velocidad de 5103 ms15 \cdot 10^3 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1} verticalmente hacia arriba, 0,05 m0,05 \text{ m} a la derecha del hilo B.

Datos: μ0=4π107 TmA1\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}; e=1,61019 Ce = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}.

Hilos paralelosFuerza magnéticaLey de Biot y Savart
b) i) Determinación de IBI_B para que el campo sea cero en P

El punto P está situado a 0,25 m a la derecha del hilo A. La separación entre los hilos es 1 m (100 cm), por lo que P está a 0,75 m a la izquierda del hilo B.

XYmHilo A (I_A↑)mHilo B (I_B)mPPg1g2

El campo magnético creado por un hilo conductor infinito a distancia rr es:

B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 \, I}{2\pi \, r}

La corriente IAI_A sube (sentido +y+y). Por la regla de la mano derecha, el campo BA\vec{B}_A en el punto P (que está a la derecha del hilo A) apunta en dirección z-z (entrando en la pantalla).

BA=μ0IA2πrAP=4π×107×102π×0,25=4π×1060,5π=8×106 TB_A = \frac{\mu_0 \, I_A}{2\pi \, r_{AP}} = \frac{4\pi \times 10^{-7} \times 10}{2\pi \times 0{,}25} = \frac{4\pi \times 10^{-6}}{0{,}5\pi} = 8 \times 10^{-6} \text{ T}

Para que el campo total en P sea cero, el hilo B debe crear en P un campo igual en módulo y sentido contrario al de A, es decir BB\vec{B}_B debe apuntar en +z+z (saliendo de la pantalla). Como P está a la izquierda del hilo B, para que el campo en ese punto salga de la pantalla, la corriente IBI_B debe circular hacia arriba (+y+y), igual que IAI_A.Imponiendo BA=BBB_A = B_B:

μ0IA2πrAP=μ0IB2πrBP\frac{\mu_0 \, I_A}{2\pi \, r_{AP}} = \frac{\mu_0 \, I_B}{2\pi \, r_{BP}}
IArAP=IBrBP    IB=IArBPrAP=10×0,750,25=30 A\frac{I_A}{r_{AP}} = \frac{I_B}{r_{BP}} \implies I_B = I_A \cdot \frac{r_{BP}}{r_{AP}} = 10 \times \frac{0{,}75}{0{,}25} = 30 \text{ A}

La corriente IB=30I_B = 30 A circula hacia arriba (+y+y), en el mismo sentido que IAI_A.

b) ii) Fuerza magnética sobre el electrón situado 0,05 m a la derecha del hilo B

El electrón se mueve con velocidad v=5×103j^\vec{v} = 5 \times 10^3 \hat{j} m/s en el plano XY, a 0,05 m a la derecha del hilo B. Esta posición está a 1,05 m del hilo A.Campo del hilo A en ese punto (a rA=1,05r_A = 1{,}05 m a la derecha):

BA=μ0IA2πrA=4π×107×102π×1,05=4π×1062,1π1,905×106 TB_A = \frac{\mu_0 \, I_A}{2\pi \, r_A} = \frac{4\pi \times 10^{-7} \times 10}{2\pi \times 1{,}05} = \frac{4\pi \times 10^{-6}}{2{,}1\pi} \approx 1{,}905 \times 10^{-6} \text{ T}

La corriente IAI_A va hacia arriba y el punto está a la derecha del hilo A, por lo que BA\vec{B}_A apunta en z-z (entrando).Campo del hilo B en ese punto (a rB=0,05r_B = 0{,}05 m a la derecha):

BB=μ0IB2πrB=4π×107×302π×0,05=12π×1060,1π=1,2×104 TB_B = \frac{\mu_0 \, I_B}{2\pi \, r_B} = \frac{4\pi \times 10^{-7} \times 30}{2\pi \times 0{,}05} = \frac{12\pi \times 10^{-6}}{0{,}1\pi} = 1{,}2 \times 10^{-4} \text{ T}

La corriente IBI_B va hacia arriba y el punto está a la derecha del hilo B, por lo que BB\vec{B}_B también apunta en z-z (entrando).El campo total en ese punto:

Btotal=(BA+BB)k^=(1,905×106+1,2×104)k^1,219×104 Tk^\vec{B}_{total} = -(B_A + B_B)\hat{k} = -(1{,}905 \times 10^{-6} + 1{,}2 \times 10^{-4})\hat{k} \approx -1{,}219 \times 10^{-4} \text{ T} \, \hat{k}

La fuerza de Lorentz sobre el electrón (carga q=e=1,6×1019q = -e = -1{,}6 \times 10^{-19} C):

F=q(v×B)\vec{F} = q \, (\vec{v} \times \vec{B})

Calculamos primero el producto vectorial v×B\vec{v} \times \vec{B}:

v×B=(5×103j^)×(1,219×104k^)=5×103×1,219×104(j^×k^)\vec{v} \times \vec{B} = (5 \times 10^3 \, \hat{j}) \times (-1{,}219 \times 10^{-4} \, \hat{k}) = -5 \times 10^3 \times 1{,}219 \times 10^{-4} \, (\hat{j} \times \hat{k})
=6,095×101i^0,6095i^ m2Ts1= -6{,}095 \times 10^{-1} \, \hat{i} \approx -0{,}6095 \, \hat{i} \text{ m}^2 \cdot \text{T} \cdot \text{s}^{-1}

Aplicando la carga del electrón:

F=(1,6×1019)×(0,6095i^)=9,75×1020i^ N\vec{F} = (-1{,}6 \times 10^{-19}) \times (-0{,}6095 \, \hat{i}) = 9{,}75 \times 10^{-20} \, \hat{i} \text{ N}

La fuerza magnética sobre el electrón tiene módulo F9,75×1020F \approx 9{,}75 \times 10^{-20} N y está dirigida en la dirección +x+x (hacia la derecha, alejándose de los hilos).