Un hilo conductor de longitud indefinida se extiende a lo largo del eje z. Otro hilo de longitud indefinida paralelo al primero pasa por el punto (5,0,0) cm. Los dos hilos se repelen con una fuerza por unidad de longitud de 5⋅10−5 N m−1. El campo magnético total se anula a lo largo de la recta x=+10 cm en el plano xz.
a) Explique si las corrientes en los hilos son paralelas o antiparalelas y calcule su magnitud.b) Determine el módulo del campo magnético en el punto (−5,0,0) cm.
Dato: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1.
hilos conductoresfuerza magnéticacampo magnético
a) Explique si las corrientes en los hilos son paralelas o antiparalelas y calcule su magnitud.
La fuerza entre dos hilos conductores rectilíneos y paralelos es atractiva si las corrientes circulan en el mismo sentido (paralelas) y repulsiva si circulan en sentidos opuestos (antiparalelas). Dado que los dos hilos se repelen, las corrientes en los hilos deben ser antiparalelas.La fuerza por unidad de longitud entre dos hilos conductores paralelos se calcula mediante la fórmula:
LF=2πdμ0I1I2
Donde μ0 es la permeabilidad magnética del vacío, I1 e I2 son las intensidades de las corrientes y d es la distancia entre los hilos.El campo magnético producido por un hilo conductor infinito a una distancia r es:
B=2πrμ0I
Sea el hilo 1 situado en el eje z (es decir, en x=0) y el hilo 2 en x=5 cm=0.05 m. El punto donde el campo magnético total se anula es x=10 cm=0.1 m. En este punto, los campos magnéticos creados por cada hilo deben tener la misma magnitud y direcciones opuestas.La distancia del hilo 1 al punto de anulación es d1=0.1 m. La distancia del hilo 2 al punto de anulación es d2=(10−5) cm=5 cm=0.05 m.
Para que los campos se anulen en un punto externo a ambos hilos, las corrientes deben ser antiparalelas, lo cual es consistente con la repulsión.
B1=B2⟹2πd1μ0I1=2πd2μ0I2
d1I1=d2I2⟹0.1 mI1=0.05 mI2
I1=2I2
Ahora usamos la información de la fuerza por unidad de longitud (F/L=5⋅10−5 N⋅m−1) y la distancia entre los hilos d=5 cm=0.05 m:
5⋅10−5=2πdμ0I1I2
Sustituimos I1=2I2 y los valores conocidos:
5⋅10−5=2π(0.05 m)(4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1)(2I2)I2
5⋅10−5=2π⋅0.054π⋅10−7⋅2I22
5⋅10−5=0.054⋅10−7I22
I22=4⋅10−75⋅10−5⋅0.05=4⋅10−72.5⋅10−6=6.25
I2=6.25=2.5 A
Y por lo tanto, la corriente del primer hilo es:
I1=2I2=2⋅2.5 A=5 A
b) Determine el módulo del campo magnético en el punto (−5,0,0) cm.
El punto de interés es P=(−5,0,0) cm=(−0.05,0,0) m.
El hilo 1 está en x=0 y el hilo 2 en x=5 cm. Las corrientes son antiparalelas. Asumamos que I1 circula en el sentido positivo del eje z y I2 en el sentido negativo del eje z.Distancia del hilo 1 a P: r1=∣−0.05−0∣ m=0.05 m.
Distancia del hilo 2 a P: r2=∣−0.05−0.05∣ m=∣−0.1∣ m=0.1 m.Calculamos el módulo del campo magnético producido por cada hilo en el punto P:
B2=0.12⋅10−7⋅2.5=0.15⋅10−7=50⋅10−7 T=5.0⋅10−6 T
Para determinar la dirección del campo total, aplicamos la regla de la mano derecha:
Si I1 (en x=0) va en +z, el campo en x<0 (como P) apunta en la dirección −y.
Si I2 (en x=5 cm) va en −z, el campo en x<5 cm (como P) también apunta en la dirección −y.
Dado que ambos campos apuntan en la misma dirección (−y), el campo magnético total en el punto P es la suma de los módulos:
Btotal=B1+B2
Btotal=(2.0⋅10−5 T)+(5.0⋅10−6 T)
Btotal=(20⋅10−6 T)+(5⋅10−6 T)
Btotal=25⋅10−6 T=2.5⋅10−5 T
El módulo del campo magnético total en el punto (−5,0,0) cm es 2.5⋅10−5 T.