AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
2025 · Ordinaria · Titular
A3
Examen

Un hilo conductor de longitud indefinida se extiende a lo largo del eje zz. Otro hilo de longitud indefinida paralelo al primero pasa por el punto (5,0,0) cm(5, 0, 0) \text{ cm}. Los dos hilos se repelen con una fuerza por unidad de longitud de 5105 N m15 \cdot 10^{-5} \text{ N m}^{-1}. El campo magnético total se anula a lo largo de la recta x=+10 cmx = +10 \text{ cm} en el plano xzxz.

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(-5, 0, 0) \text{ cm}.

Dato: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π107 TmA1\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{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:

FL=μ0I1I22πd\frac{F}{L} = \frac{\mu_0 I_1 I_2}{2\pi d}

Donde μ0\mu_0 es la permeabilidad magnética del vacío, I1I_1 e I2I_2 son las intensidades de las corrientes y dd es la distancia entre los hilos.El campo magnético producido por un hilo conductor infinito a una distancia rr es:

B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}

Sea el hilo 1 situado en el eje zz (es decir, en x=0x=0) y el hilo 2 en x=5 cm=0.05 mx = 5 \text{ cm} = 0.05 \text{ m}. El punto donde el campo magnético total se anula es x=10 cm=0.1 mx = 10 \text{ cm} = 0.1 \text{ 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 md_1 = 0.1 \text{ m}. La distancia del hilo 2 al punto de anulación es d2=(105) cm=5 cm=0.05 md_2 = (10 - 5) \text{ cm} = 5 \text{ cm} = 0.05 \text{ 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    μ0I12πd1=μ0I22πd2B_1 = B_2 \implies \frac{\mu_0 I_1}{2\pi d_1} = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi d_2}
I1d1=I2d2    I10.1 m=I20.05 m\frac{I_1}{d_1} = \frac{I_2}{d_2} \implies \frac{I_1}{0.1 \text{ m}} = \frac{I_2}{0.05 \text{ m}}
I1=2I2I_1 = 2 I_2

Ahora usamos la información de la fuerza por unidad de longitud (F/L=5105 Nm1F/L = 5 \cdot 10^{-5} \text{ N} \cdot \text{m}^{-1}) y la distancia entre los hilos d=5 cm=0.05 md = 5 \text{ cm} = 0.05 \text{ m}:

5105=μ0I1I22πd5 \cdot 10^{-5} = \frac{\mu_0 I_1 I_2}{2\pi d}

Sustituimos I1=2I2I_1 = 2 I_2 y los valores conocidos:

5105=(4π107 TmA1)(2I2)I22π(0.05 m)5 \cdot 10^{-5} = \frac{(4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}) (2 I_2) I_2}{2\pi (0.05 \text{ m})}
5105=4π1072I222π0.055 \cdot 10^{-5} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \cdot 2 I_2^2}{2\pi \cdot 0.05}
5105=4107I220.055 \cdot 10^{-5} = \frac{4 \cdot 10^{-7} I_2^2}{0.05}
I22=51050.054107=2.51064107=6.25I_2^2 = \frac{5 \cdot 10^{-5} \cdot 0.05}{4 \cdot 10^{-7}} = \frac{2.5 \cdot 10^{-6}}{4 \cdot 10^{-7}} = 6.25
I2=6.25=2.5 AI_2 = \sqrt{6.25} = 2.5 \text{ A}

Y por lo tanto, la corriente del primer hilo es:

I1=2I2=22.5 A=5 AI_1 = 2 I_2 = 2 \cdot 2.5 \text{ A} = 5 \text{ A}
b) Determine el módulo del campo magnético en el punto (5,0,0) cm(-5, 0, 0) \text{ cm}.

El punto de interés es P=(5,0,0) cm=(0.05,0,0) mP = (-5, 0, 0) \text{ cm} = (-0.05, 0, 0) \text{ m}. El hilo 1 está en x=0x=0 y el hilo 2 en x=5 cmx=5 \text{ cm}. Las corrientes son antiparalelas. Asumamos que I1I_1 circula en el sentido positivo del eje zz y I2I_2 en el sentido negativo del eje zz.Distancia del hilo 1 a P: r1=0.050 m=0.05 mr_1 = |-0.05 - 0| \text{ m} = 0.05 \text{ m}. Distancia del hilo 2 a P: r2=0.050.05 m=0.1 m=0.1 mr_2 = |-0.05 - 0.05| \text{ m} = |-0.1| \text{ m} = 0.1 \text{ m}.Calculamos el módulo del campo magnético producido por cada hilo en el punto P:

B1=μ0I12πr1=(4π107 TmA1)(5 A)2π(0.05 m)B_1 = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi r_1} = \frac{(4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}) (5 \text{ A})}{2\pi (0.05 \text{ m})}
B1=210750.05=101070.05=200107 T=2.0105 TB_1 = \frac{2 \cdot 10^{-7} \cdot 5}{0.05} = \frac{10 \cdot 10^{-7}}{0.05} = 200 \cdot 10^{-7} \text{ T} = 2.0 \cdot 10^{-5} \text{ T}
B2=μ0I22πr2=(4π107 TmA1)(2.5 A)2π(0.1 m)B_2 = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi r_2} = \frac{(4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}) (2.5 \text{ A})}{2\pi (0.1 \text{ m})}
B2=21072.50.1=51070.1=50107 T=5.0106 TB_2 = \frac{2 \cdot 10^{-7} \cdot 2.5}{0.1} = \frac{5 \cdot 10^{-7}}{0.1} = 50 \cdot 10^{-7} \text{ T} = 5.0 \cdot 10^{-6} \text{ T}

Para determinar la dirección del campo total, aplicamos la regla de la mano derecha: Si I1I_1 (en x=0x=0) va en +z+z, el campo en x<0x < 0 (como PP) apunta en la dirección y-y. Si I2I_2 (en x=5 cmx=5 \text{ cm}) va en z-z, el campo en x<5 cmx < 5 \text{ cm} (como PP) también apunta en la dirección y-y. Dado que ambos campos apuntan en la misma dirección (y-y), el campo magnético total en el punto PP es la suma de los módulos:

Btotal=B1+B2B_{total} = B_1 + B_2
Btotal=(2.0105 T)+(5.0106 T)B_{total} = (2.0 \cdot 10^{-5} \text{ T}) + (5.0 \cdot 10^{-6} \text{ T})
Btotal=(20106 T)+(5106 T)B_{total} = (20 \cdot 10^{-6} \text{ T}) + (5 \cdot 10^{-6} \text{ T})
Btotal=25106 T=2.5105 TB_{total} = 25 \cdot 10^{-6} \text{ T} = 2.5 \cdot 10^{-5} \text{ T}

El módulo del campo magnético total en el punto (5,0,0) cm(-5, 0, 0) \text{ cm} es 2.5105 T2.5 \cdot 10^{-5} \text{ T}.