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T2: Interacción electromagnética
Campo magnético e hilos de corriente
Problema
2023 · Ordinaria · Suplente
B1-b
Examen
b) i) Por un hilo rectilíneo muy largo circula una intensidad de corriente de 3 A3 \text{ A}. Determine razonadamente el módulo de la fuerza magnética que actúa sobre una carga de 4103 C4 \cdot 10^{-3} \text{ C} que se mueve con una velocidad de 8 ms18 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1} paralela al hilo y a una distancia de 2 m2 \text{ m} del mismo.ii) Un segundo hilo, por el que circula una corriente de 1 A1 \text{ A} en el mismo sentido, se sitúa paralelo al primero a una distancia de 1 m1 \text{ m}. Determine justificadamente a qué distancia del primer hilo se anula el campo magnético.

Dato: μ0=4π107 TmA1\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}

hilo indefinidofuerza magnéticapunto de anulación campo
b) i) Para determinar la fuerza magnética sobre la carga, primero calculamos el módulo del campo magnético BB generado por el hilo rectilíneo a una distancia r=2 mr = 2 \text{ m} utilizando la ley de Ampère para un conductor indefinido:
B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}

Sustituyendo los datos del enunciado:

B=4π107 TmA13 A2π2 m=3107 TB = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1} \cdot 3 \text{ A}}{2\pi \cdot 2 \text{ m}} = 3 \cdot 10^{-7} \text{ T}

La fuerza magnética sobre una carga en movimiento se define mediante la expresión Fm=q(v×B)\vec{F}_m = q (\vec{v} \times \vec{B}). Dado que la velocidad es paralela al hilo y el campo magnético generado por el hilo es circular y perpendicular al mismo en cada punto, los vectores v\vec{v} y B\vec{B} son perpendiculares entre sí (forman un ángulo de 9090^\circ).

B (entrante)+vF

El módulo de la fuerza magnética es:

F_m = |q| v B \sin(90^\circ)
Fm=4103 C8 ms13107 T1=9.6109 NF_m = 4 \cdot 10^{-3} \text{ C} \cdot 8 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1} \cdot 3 \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot 1 = 9.6 \cdot 10^{-9} \text{ N}
ii) Para que el campo magnético resultante sea nulo en un punto situado entre dos hilos con corrientes en el mismo sentido, los campos magnéticos individuales B1\vec{B}_1 y B2\vec{B}_2 deben tener igual módulo y sentidos opuestos.

Si situamos el punto de anulación a una distancia xx del primer hilo (I1=3 AI_1 = 3 \text{ A}), la distancia al segundo hilo (I2=1 AI_2 = 1 \text{ A}) será dxd - x, donde d=1 md = 1 \text{ m}. Igualamos los módulos de los campos:

μ0I12πx=μ0I22π(dx)\frac{\mu_0 I_1}{2\pi x} = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi (d - x)}

Simplificando la constante μ02π\frac{\mu_0}{2\pi} y sustituyendo los valores de las intensidades:

3x=11x\frac{3}{x} = \frac{1}{1 - x}

Resolvemos la ecuación algebraica:

3(1x)=x    33x=x    4x=3    x=0.75 m3(1 - x) = x \implies 3 - 3x = x \implies 4x = 3 \implies x = 0.75 \text{ m}

Por lo tanto, el campo magnético se anula a una distancia de 0.75 m0.75 \text{ m} del primer hilo.