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2023 · Extraordinaria · Titular
B3
Examen

Dos hilos rectilíneos indefinidos, paralelos al eje yy, están respectivamente situados en x=−0,1 mx = -0,1 \text{ m} y x=0,1 mx = 0,1 \text{ m}. El primero de ellos conduce una corriente de 10 A10 \text{ A} en el sentido positivo del eje yy. Si un electrón viaja en línea recta con velocidad v⃗=2⋅106j⃗ m/s\vec{v} = 2 \cdot 10^{6} \vec{j} \text{ m/s} a lo largo de x=0,4 mx = 0,4 \text{ m} sin desviarse, calcule:

a) La intensidad de corriente en el segundo hilo, especificando su sentido.b) La fuerza que experimentaría un electrón que pasara por el origen de coordenadas con velocidad v⃗=2⋅106j⃗ m/s\vec{v} = 2 \cdot 10^{6} \vec{j} \text{ m/s}.

Datos: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}; Valor absoluto de la carga del electrón, e=1,6⋅10−19 Ce = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}.

hilos de corrientefuerza magnéticainducción magnética+1
a) La intensidad de corriente en el segundo hilo, especificando su sentido.

El campo magnético B⃗\vec{B} producido por un hilo rectilíneo indefinido por el que circula una corriente II a una distancia rr viene dado por la ley de Ampère:

B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}

La dirección del campo magnético se determina mediante la regla de la mano derecha. Para que el electrón se mueva en línea recta sin desviarse a lo largo de x=0,4 mx = 0,4 \text{ m}, la fuerza magnética neta sobre él debe ser cero. Dado que la velocidad del electrón es v⃗=2⋅106j⃗ m/s\vec{v} = 2 \cdot 10^6 \vec{j} \text{ m/s} y los campos magnéticos generados por los hilos (paralelos al eje yy) estarán en el plano xzxz, la fuerza de Lorentz F⃗=q(v⃗×B⃗)\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) no sería cero a menos que B⃗total=0\vec{B}_{total} = 0. Por lo tanto, el campo magnético total en x=0,4 mx = 0,4 \text{ m} debe ser nulo.Primero, calculamos el campo magnético B1⃗\vec{B_1} generado por el primer hilo en x=0,4 mx = 0,4 \text{ m}:El hilo 1 está en x1=−0,1 mx_1 = -0,1 \text{ m} y conduce una corriente I1=10 AI_1 = 10 \text{ A} en el sentido positivo del eje yy (+j⃗+\vec{j}).La distancia desde el hilo 1 al punto x=0,4 mx = 0,4 \text{ m} es r1=∣0,4 m−(−0,1 m)∣=0,5 mr_1 = |0,4 \text{ m} - (-0,1 \text{ m})| = 0,5 \text{ m}.Aplicando la regla de la mano derecha (pulgar en +j⃗+\vec{j}, punto de campo a la derecha del hilo), el campo magnético B1⃗\vec{B_1} apunta en el sentido negativo del eje zz (−k⃗-\vec{k}).

B1⃗=μ0I12πr1(−k⃗)\vec{B_1} = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi r_1} (-\vec{k})
B1⃗=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅10 A2π⋅0,5 m(−k⃗)=(4⋅10−6 T)(−k⃗)\vec{B_1} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1} \cdot 10 \text{ A}}{2\pi \cdot 0,5 \text{ m}} (-\vec{k}) = (4 \cdot 10^{-6} \text{ T}) (-\vec{k})
B1⃗=−4⋅10−6k⃗ T\vec{B_1} = -4 \cdot 10^{-6} \vec{k} \text{ T}

Para que el campo total sea cero en x=0,4 mx = 0,4 \text{ m}, el campo B2⃗\vec{B_2} generado por el segundo hilo debe ser igual y opuesto a B1⃗\vec{B_1}:

B2⃗=−B1⃗=4⋅10−6k⃗ T\vec{B_2} = -\vec{B_1} = 4 \cdot 10^{-6} \vec{k} \text{ T}

Esto significa que B2⃗\vec{B_2} debe apuntar en el sentido positivo del eje zz (+k⃗+\vec{k}) en x=0,4 mx = 0,4 \text{ m}.El hilo 2 está en x2=0,1 mx_2 = 0,1 \text{ m}. La distancia desde el hilo 2 al punto x=0,4 mx = 0,4 \text{ m} es r2=∣0,4 m−0,1 m∣=0,3 mr_2 = |0,4 \text{ m} - 0,1 \text{ m}| = 0,3 \text{ m}.El punto x=0,4 mx = 0,4 \text{ m} se encuentra a la derecha del hilo 2. Para que el campo magnético apunte en el sentido positivo de zz (+k⃗+\vec{k}) en un punto a su derecha, la corriente I2I_2 debe circular en el sentido negativo del eje yy (hacia abajo), aplicando la regla de la mano derecha.Ahora calculamos la magnitud de I2I_2:

∣B2⃗∣=μ0I22πr2|\vec{B_2}| = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi r_2}
4⋅10−6 T=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅I22π⋅0,3 m4 \cdot 10^{-6} \text{ T} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1} \cdot I_2}{2\pi \cdot 0,3 \text{ m}}
4⋅10−6 T=2⋅10−7⋅I20,3 T4 \cdot 10^{-6} \text{ T} = \frac{2 \cdot 10^{-7} \cdot I_2}{0,3} \text{ T}
I2=4⋅10−6⋅0,32⋅10−7 A=1,2⋅10−62⋅10−7 A=6 AI_2 = \frac{4 \cdot 10^{-6} \cdot 0,3}{2 \cdot 10^{-7}} \text{ A} = \frac{1,2 \cdot 10^{-6}}{2 \cdot 10^{-7}} \text{ A} = 6 \text{ A}

La intensidad de corriente en el segundo hilo es de 6 A6 \text{ A} en el sentido negativo del eje yy.

b) La fuerza que experimentaría un electrón que pasara por el origen de coordenadas con velocidad v⃗=2⋅106j⃗ m/s\vec{v} = 2 \cdot 10^{6} \vec{j} \text{ m/s}.

Primero, calculamos el campo magnético total B⃗total\vec{B}_{total} en el origen de coordenadas (0,0,0)(0,0,0).Campo magnético B1⃗\vec{B_1} en el origen debido al hilo 1 (I1=10 AI_1 = 10 \text{ A} en +j⃗+\vec{j} en x1=−0,1 mx_1 = -0,1 \text{ m}):La distancia es r1=∣0−(−0,1 m)∣=0,1 mr_1 = |0 - (-0,1 \text{ m})| = 0,1 \text{ m}.El origen está a la derecha del hilo 1. Con I1I_1 en +j⃗+\vec{j}, B1⃗\vec{B_1} apunta en el sentido positivo del eje zz (+k⃗+\vec{k}).

B1⃗=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅10 A2π⋅0,1 mk⃗=(2⋅10−5 T)k⃗\vec{B_1} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1} \cdot 10 \text{ A}}{2\pi \cdot 0,1 \text{ m}} \vec{k} = (2 \cdot 10^{-5} \text{ T}) \vec{k}
B1⃗=2⋅10−5k⃗ T\vec{B_1} = 2 \cdot 10^{-5} \vec{k} \text{ T}

Campo magnético B2⃗\vec{B_2} en el origen debido al hilo 2 (I2=6 AI_2 = 6 \text{ A} en −j⃗-\vec{j} en x2=0,1 mx_2 = 0,1 \text{ m}):La distancia es r2=∣0−0,1 m∣=0,1 mr_2 = |0 - 0,1 \text{ m}| = 0,1 \text{ m}.El origen está a la izquierda del hilo 2. Con I2I_2 en −j⃗-\vec{j}, B2⃗\vec{B_2} apunta en el sentido positivo del eje zz (+k⃗+\vec{k}).

B2⃗=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅6 A2π⋅0,1 mk⃗=(1,2⋅10−5 T)k⃗\vec{B_2} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1} \cdot 6 \text{ A}}{2\pi \cdot 0,1 \text{ m}} \vec{k} = (1,2 \cdot 10^{-5} \text{ T}) \vec{k}
B2⃗=1,2⋅10−5k⃗ T\vec{B_2} = 1,2 \cdot 10^{-5} \vec{k} \text{ T}

El campo magnético total en el origen es la suma vectorial de ambos campos:

B⃗total=B1⃗+B2⃗=(2⋅10−5+1,2⋅10−5)k⃗ T\vec{B}_{total} = \vec{B_1} + \vec{B_2} = (2 \cdot 10^{-5} + 1,2 \cdot 10^{-5}) \vec{k} \text{ T}
B⃗total=3,2⋅10−5k⃗ T\vec{B}_{total} = 3,2 \cdot 10^{-5} \vec{k} \text{ T}

La fuerza que experimenta un electrón (carga q=−e=−1,6⋅10−19 Cq = -e = -1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}) que se mueve con velocidad v⃗\vec{v} en un campo magnético B⃗\vec{B} viene dada por la fuerza de Lorentz:

F⃗=q(v⃗×B⃗total)\vec{F} = q (\vec{v} \times \vec{B}_{total})
F⃗=(−1,6⋅10−19 C)[(2⋅106j⃗ m/s)×(3,2⋅10−5k⃗ T)]\vec{F} = (-1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}) [(2 \cdot 10^6 \vec{j} \text{ m/s}) \times (3,2 \cdot 10^{-5} \vec{k} \text{ T})]
F⃗=(−1,6⋅10−19)(2⋅106⋅3,2⋅10−5)(j⃗×k⃗) N\vec{F} = (-1,6 \cdot 10^{-19}) (2 \cdot 10^6 \cdot 3,2 \cdot 10^{-5}) (\vec{j} \times \vec{k}) \text{ N}

Sabiendo que j⃗×k⃗=i⃗\vec{j} \times \vec{k} = \vec{i}:

F⃗=(−1,6⋅10−19)(6,4⋅101)i⃗ N\vec{F} = (-1,6 \cdot 10^{-19}) (6,4 \cdot 10^1) \vec{i} \text{ N}
F⃗=(−1,6⋅64)⋅10−19i⃗ N\vec{F} = (-1,6 \cdot 64) \cdot 10^{-19} \vec{i} \text{ N}
F⃗=−102,4⋅10−19i⃗ N\vec{F} = -102,4 \cdot 10^{-19} \vec{i} \text{ N}
F⃗=−1,024⋅10−17i⃗ N\vec{F} = -1,024 \cdot 10^{-17} \vec{i} \text{ N}

La fuerza que experimentaría el electrón es de 1,024⋅10−17 N1,024 \cdot 10^{-17} \text{ N} en el sentido negativo del eje xx.